揭示Ti3C2 MXene作为共催化剂在CdZnS基光催化析氢反应中的多重作用机制

为解决光催化析氢反应(HER)中电子-空穴复合率高、太阳能利用率低等问题，研究人员通过静电驱动自组装和水热法构建了1D CdZnS/2D Ti3C2 MXene肖特基异质结。该复合材料的析氢速率达13.87 mmol g?1h?1（模拟太阳光），较纯CdZnS提升近8倍，揭示了MXene作为电子转移层、光吸收增强剂和活性位点暴露促进剂的多重协同机制，为二维材料在清洁能源领域的应用提供了新思路。

　　

在全球能源转型的背景下，太阳能驱动的水分解制氢技术被视为解决能源危机和环境问题的关键途径。然而，传统光催化剂如CdS存在光生电荷复合快、光腐蚀严重等瓶颈问题。尽管通过锌掺杂形成的CdZnS可部分改善性能，但其效率仍受限于有限的活性位点和狭窄的光响应范围。二维材料Ti₃C₂ MXene因其金属导电性、全光谱吸收和丰富表面官能团等特性，在催化领域展现出巨大潜力，但其在光催化HER中的具体作用机制尚不明确。

东北大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中，创新性地将一维CdZnS纳米棒锚定在超薄二维Ti₃C₂ MXene表面，构建了CZS-1.0 TC复合光催化剂。通过静电驱动自组装和水热合成技术，结合DFT计算和系列表征手段，系统解析了MXene的多重功能。

材料表征
通过HCl/LiF混合溶液蚀刻Ti₃AlC₂获得多层Ti₃C₂ MXene，经超声剥离得到超薄纳米片。XRD和HRTEM证实CdZnS纳米棒均匀分布在MXene表面，形成紧密界面接触。

性能优化
含1% Ti₃C₂的CZS-1.0 TC样品表现出最优HER活性：可见光下12.33 mmol g^?1h^?1，模拟太阳光下13.87 mmol g^?1h^?1。PL光谱和电化学测试显示MXene使电荷分离效率提升3.2倍。

机制阐释
DFT计算表明MXene与CdZnS形成肖特基势垒，促进电子定向迁移。UV-Vis DRS证实MXene拓宽了光响应范围至650 nm。接触角测试显示MXene的-OH官能团使复合材料亲水性提升40%。

该研究首次系统揭示了Ti₃C₂ MXene在光催化HER中的三重作用：作为电子转移层加速电荷分离，作为光敏剂拓宽光谱响应，作为结构导向剂抑制CdZnS团聚。这种"三位一体"的协同机制为设计高效复合光催化剂提供了新范式，相关成果已申请中国国家自然科学基金（51974086）支持。研究团队特别致谢沈阳实研佳实验室的HRTEM和XPS测试支持。