Nb4N3Tx MXene修饰Bi2WO6/NbSe2 S型异质结的光电与光电化学性能提升：实验与计算研究

本研究针对光催化过程中电荷载流子快速复合和光吸收效率低的问题，通过构建Nb4N3Tx MXene修饰的Bi2WO6/NbSe2 S型异质结，显著提升了电荷分离效率和光吸收能力，电荷载流子密度达到1.54×1034 cm?3，并结合DFT理论计算验证了实验现象，为高效光催化剂设计提供了新策略。

　　

随着全球对清洁环境和可持续能源的需求日益迫切，太阳能光催化技术被视为解决能源与环境挑战的有效途径。然而，传统光催化剂存在光生电荷载流子复合率高、光吸收范围窄以及氧化还原能力有限等问题，严重制约了其实际应用。例如，虽然Bi₂WO₆在可见光下具有较高的光催化活性，但其快速电荷复合限制了环境应用潜力；而NbSe₂虽具有窄带隙和高导电性，但单独使用时效率不高。因此，构建高效的异质结系统以促进电荷分离和拓宽光吸收范围成为研究重点。

在这项发表于《Materials Today Advances》的研究中，Antony Okinyi Onjwaya等人通过水热法和超声合成路线，成功设计了一种Nb₄N₃T_x MXene修饰的Bi₂WO₆/NbSe₂ S型异质结，显著增强了界面电荷转移能力。该研究结合实验和密度泛函理论（DFT）计算，全面分析了异质结的结构、光学和光电化学性质，并揭示了其电荷转移机制。

研究采用了多种关键技术方法：通过水热法合成Bi₂WO₆纳米颗粒和NbSe₂纳米棒，利用球磨和煅烧制备Nb₄AlN₃ MAX相，再经LiF/HCl蚀刻和TBAOH剥离得到Nb₄N₃T_x MXene，最后通过超声处理构建二元和三元纳米复合材料。表征手段包括X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、光致发光光谱（PL）、电化学阻抗谱（EIS）、莫特-肖特基（Mott-Schottky）测试以及DFT理论计算。

晶体结构和功能基团分析：XRD和拉曼光谱证实了材料的成功合成和异质结的形成。Bi₂WO₆呈现正交晶系结构，NbSe₂为六方晶系，而MXene的蚀刻导致层间距增加。威廉森-霍尔图分析显示三元纳米复合材料的晶粒尺寸减小至53.32 nm，位错密度和微应变增加，表明晶体结构中存在更多缺陷，有利于电荷传输。

形态学研究：SEM和TEM显示Bi₂WO₆形成网状纳米花，NbSe₂为纳米棒结构，MXene呈现 accordion 状多层结构。三元复合材料中，Bi₂WO₆和MXene成功锚定在NbSe₂表面，形成紧密界面。EDS元素映射证实了各元素的均匀分布。

化学状态分析：XPS揭示了异质结中的电荷重新分布。Bi₂WO₆的O 1s、Bi 4f和W 4f结合能向低能方向移动，表明电子密度增加，而NbSe₂的Nb 3d和Se 3d结合能向高能方向移动，表明电子密度降低，证实了电子从NbSe₂向Bi₂WO₆转移，形成了内置电场。

表面积测量：BET分析显示三元纳米复合材料具有最大的比表面积（16.69 m²/g）和孔体积（0.114 m³/g），提供了更多的活性位点，有利于光催化反应。

光学性质：UV-Vis DRS显示三元复合材料在430-540 nm范围内具有增强的光吸收能力。Tauc图计算得到Bi₂WO₆和NbSe₂的带隙分别为2.87 eV和0.9 eV。XPS价带谱确定了能带位置，进一步验证了S型异质结的能带对齐。

光电化学性质：PL光谱表明三元复合材料的荧光强度最弱，表明电荷复合被有效抑制。EIS显示电荷转移电阻降低，瞬态光电流响应增强，证实了电荷分离效率的提高。莫特-肖特基测试证实了Bi₂WO₆为n型半导体，NbSe₂为p型半导体，三元复合材料的载流子密度高达1.54×10³⁴ cm^?3。DFT计算能带结构和态密度（DOS）与实验结果一致，Nb₄N₃T_x的功函数（7.12 eV）高于Bi₂WO₆（5.68 eV）和NbSe₂（6.14 eV），促进了电子转移和肖特基结的形成。

研究结论表明，通过构建Nb₄N₃T_x MXene修饰的Bi₂WO₆/NbSe₂ S型异质结，成功实现了高效的电荷分离和传输，显著提升了光催化性能。该研究不仅为设计高效光催化剂提供了新思路，还通过实验与理论计算的结合，深入揭示了异质结的电荷转移机制，对环境污染治理和可持续能源开发具有重要意义。