新型RuSe2/Ti3C2纳米片复合ZnIn2S4纳米花的S型异质结光催化产氢研究

针对全球能源危机与光催化产氢效率低下的问题，研究人员通过构建RuSe2/Ti3C2/ZnIn2S4(ZIS)三元S型异质结光催化剂，实现了1892.30 μmol g?1 h?1的可见光驱动产氢速率，较纯ZIS提升8.5倍。该研究通过界面电荷定向迁移与Schottky结协同作用，为可持续能源转化提供了新策略。

　　

随着全球能源危机加剧，太阳能驱动的光催化水分解制氢技术成为研究热点。然而，传统光催化剂如TiO₂、CdS等存在带隙宽、载流子复合快等瓶颈，导致产氢效率低下。三元金属硫化物ZnIn₂S₄(ZIS)虽具有2.4-2.5 eV的适宜带隙，但其固有氧化还原电位不足和电荷分离效率差限制了实际应用。与此同时，二维材料Ti₃C₂ MXene因其金属导电性和高比表面积成为理想电子受体，而RuSe₂助催化剂因其Se位点的氢吸附特性备受关注。如何通过材料创新实现光生电荷的高效分离与利用，成为突破光催化产氢技术的关键科学问题。

针对这一挑战，华东理工大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，设计出RuSe₂/Ti₃C₂/ZIS三元S型异质结光催化剂。通过光沉积法将RuSe₂负载于Ti₃C₂纳米片表面，再与ZIS纳米花复合，利用Ti₃C₂的电子桥接作用和RuSe₂的催化活性位点协同，实现了可见光下1892.30 μmol g^?1 h^?1的产氢效率。该工作为开发高效太阳能转化系统提供了新思路。

关键技术方法包括：1) LiF/HCl蚀刻法制备Ti₃C₂纳米片；2) 油浴法合成ZIS纳米花；3) 光沉积技术负载RuSe₂助催化剂；4) 通过Tauc-plot计算能带结构；5) 电子顺磁共振(EPR)验证S型电荷转移路径。

材料与化学试剂
研究采用MAX相Ti₃AlC₂为原料，通过LiF/HCl蚀刻获得Ti₃C₂纳米片，并与ZnCl₂、InCl₃·4H₂O等前驱体反应构建复合材料。

光催化剂形貌与结构
SEM显示ZIS呈现三维花状结构，Ti₃C₂纳米片均匀分散其中。XRD证实RuSe₂成功负载，HRTEM观察到0.34 nm间距的ZIS(311)晶面与Ti₃C₂的(002)晶面紧密接触。

结论与意义
该研究证实RuSe_0.5/TZ复合体通过S型机制实现电荷定向迁移：ZIS的导带电子与Ti₃C₂的空穴复合，保留高还原性电子参与产氢反应。EPR检测到·O₂^?和·OH自由基信号，验证了能带结构的精准匹配。这种"电子桥-活性位"双功能设计，不仅解决了ZIS电荷分离效率低的问题，还通过RuSe₂的Se位点降低氢吸附能垒，为开发新型光催化体系提供了范式。

讨论
相比传统贵金属Pt助催化剂，RuSe₂的成本优势显著。研究还发现Ti₃C₂的界面Schottky结可进一步抑制电荷回流，这种多重协同效应为设计高效光催化剂开辟了新途径。该成果对推动太阳能-氢能转化技术的实际应用具有重要指导价值。