二维Ti3C2/MoO3/g-C3N4三元光催化剂：Z型异质结驱动高效太阳能光解水制氢机制研究

本文报道了一种通过超声辅助湿法浸渍制备的Ti3C2/MoO3/g-C3N4（TMCN-6）三元光催化剂，其光催化产氢速率达19,252 μmol·g-1·h-1，较纯g-C3N4提升291倍。研究通过UV-Vis DRS、PL、EIS等表征证实，MXene材料Ti3C2作为电子介质构建的Z型异质结可显著促进电荷分离，为开发高效太阳能燃料转化系统提供新思路。

　　

Highlight

本研究首次通过超声辅助湿法浸渍法构建Ti₃C₂/MoO₃/g-C₃N₄三元光催化体系，实现19,252 μmol·g^-1·h^-1的突破性产氢效率，较传统g-C₃N₄提升两个数量级。

Section snippets

Reagents and Equipments

实验采用CDH公司97.5%纯度三聚氰胺、硫脲和尿素作为前驱体，配合钼酸铵（Molychem）和三乙醇胺（Sigma Aldrich）等试剂，使用Thermo Scientific XRD（型号ARL’XTRA）和岛津UV-2600i紫外可见漫反射光谱仪等设备进行表征。

XRD analysis

X射线衍射显示g-C₃N₄在13.1°和27.5°出现特征峰（JCPDS 87-1526），而MoO₃/g-C₃N₄复合物在23.7°-34.1°出现钼氧化物特征峰，三元复合后衍射峰宽化表明成功构建异质结界面。

FTIR analysis

红外光谱中g-C₃N₄的1200-1632 cm^-1处C-N杂环振动峰与MoO₃的600-900 cm^-1 Mo=O伸缩振动共存，证实三元复合物中各组分的化学兼容性。

FESEM and EDS analysis

场发射电镜显示原始g-C₃N₄呈层状结构，而TMCN-6形成花瓣状纳米片堆叠形貌。能谱分析证实Ti、Mo、C、N元素均匀分布，原子比符合设计配比。

UV-Vis spectra analysis

紫外可见漫反射表明复合使光吸收边红移至520 nm，带隙从2.70 eV降至2.35 eV，显著提升可见光捕获能力。Mott-Schottky测试证实Z型能带排列。

PL and EIS analysis

荧光光谱显示三元复合物的发射强度降低83%，电化学阻抗谱弧半径缩小5倍，证实Ti₃C₂作为电子桥梁有效抑制载流子复合。

Nitrogen adsorption-desorption analysis

氮气吸脱附测试显示BET比表面积从g-C₃N₄的32 m²/g提升至TMCN-6的89 m²/g，介孔结构为反应提供丰富活性位点。

Photocatalytic H₂ activity and stability

在自然太阳光下，三元催化剂经4次循环后仍保持92%活性，产氢量是物理混合样品的6.5倍，证实界面化学键的稳定作用。

Plausible charge mechanism and transfer

基于Mulliken电负性理论计算能带位置，提出Ti₃C₂作为"电子高速公路"介导的Z型转移路径：光生电子从MoO₃ VB迁移至g-C₃N₄ CB，同时空穴反向转移，实现空间电荷分离。

Conclusion

该工作通过精准调控MXene与半导体界面工程，创制出目前报道最高效的g-C₃N₄基光催化体系，为设计太阳能-化学能转换器件提供范式。