基于Ti3C2 MXene等离子活化诱导的缺氧CuO1?X–聚(N-甲基吡咯)光阴极海水制绿氢研究

《RSC Advances》：Green hydrogen generation from seawater based on the plasmonic activation induced by Ti3C2 MXene in oxygen-deficient CuO1?X–poly(N-methylpyrrole) photocathodesOpen Access

　　

开发能够直接以海水为电解质的高效低成本光阴极，对可持续制氢至关重要。研究人员报道了CuO1?X–聚(N-甲基吡咯)（PNMP）纳米复合材料的制备，其晶粒尺寸约10 nm，光学带隙1.92 eV，可实现宽谱光捕获。该纳米复合材料沉积于聚(1H-吡咯)（P1HP）中间层上构建CuO1?X–PNMP/P1HP光阴极，进而引入Ti3C2 MXene形成Ti3C2/CuO1?X–PNMP/P1HP异质结构光阴极。缺氧CuO1?X畴、导电聚合物网络与金属性Ti3C2框架的协同作用促进了光子捕获、加速载流子传输并抑制界面复合。因此，光电流密度从CuO1?X–PNMP/P1HP的?0.05 mA cm?2提升至引入Ti3C2后的?0.13 mA cm?2。该光阴极在等效海水电解质中产氢速率约6 μmol h?1 cm?2。性能增强源于MXene导电通路与缺陷工程CuO1?X半导体基体的协同相互作用，共同促进高效光生电荷分离与传输。这些发现为开发可规模化、经济可行的直接太阳能驱动海水制氢光阴极提供了新策略。

研究背景方面，化石能源长期可用性与环境代价推动可再生能源研究，太阳能制氢因清洁高密度受关注。光催化分解水可从淡水拓展至海水以节约淡水资源，但海水中竞争离子与催化失活使高效产氢困难。无机半导体受宽禁带与复合限制，导电聚合物存在光腐蚀，MXene（二维过渡金属碳化物/氮化物）因高导电与强界面作用成为新组件，但多数体系依赖强酸强碱或牺牲剂，偏离实际。为此，研究人员开展直接以海水为电解质、无牺牲剂的Ti₃C₂增强缺氧CuO_1?X–PNMP/P1HP光阴极研究，发表于《RSC Advances》。

关键技术方法上，研究人员通过LiF/HCl刻蚀Ti₃AlC₂ MAX相合成Ti₃C₂ MXene；在玻璃基底氧化聚合吡咯得P1HP层，再原位氧化聚合N-甲基吡咯与CuSO₄得CuO_1?X–PNMP层，物理涂覆MXene分散液并60 ℃热处理成膜；以模拟海水（含NaCl、MgCl₂、CaCl₂、Na₂SO₄、KHCO₃，排除重金属）及埃及Hurghada红海天然海水为电解质，用CHI608E工作站行线性扫描伏安与瞬态光电流测试，辅以FTIR、XRD、XPS、SEM、TEM、UV-Vis表征。

研究结果部分，2.1理化表征中，FTIR显示PNMP与CuO_1?X耦合峰移，Ti₃C₂存Ti–O与C–C振动；XRD确认CuO_1?X单斜相（晶粒~10 nm，应变7.0×10^?2）及MXene层状与表面TiO₂金红石/锐钛矿相；UV-Vis与Tauc得复合带隙1.92 eV低于纯PNMP（2.10 eV）与MXene（2.50 eV）；XPS示Cu 2p_3/2于935.0 eV对应Cu²⁺缺氧态（约CuO_0.95），Ti 2p分峰证Ti₃C₂与TiO₂共存；SEM/TEM见PNMP由~120 nm粒变为次级~100 nm含初级~15 nm单元，MXene为~120 nm片厚~40 nm。2.2绿氢生成中，LSV示加MXene后J_ph达?0.13 mA cm^?2（暗电流~?0.01），为无MXene者（?0.05）近三倍；瞬态光电流ON/OFF可逆无衰减；天然海水J_ph~?0.08 mA cm^?2；单色光340–730 nm均响应，730 nm（1.7 eV）低于带隙仍产流，归为MXene等离激元与TiO₂界面；?0.8 V vs RHE最优，产氢率~6 μmol h^?1 cm^?2，EIS得R_CT~1.7 Ω。2.3机制与现状中，指出p型CuO_1?X/聚合物与n型TiO₂/MXene形成内建场，氧空位引入局域态，MXene作电子高速路，等离子场增强低能光子利用，表1对比显示该电极海水pH 7.4下J_ph 0.13 mA cm^?2优于多数文献体系，且玻璃基底免ITO/FTO降成本。

讨论总结与结论翻译：研究人员认为性能提升来自缺氧CuO_1?X畴、导电PNMP/P1HP与金属Ti₃C₂的协同——宽谱捕获、氧空位局域态增吸收、MXene等离激元与高导电抑复合、TiO₂/Ti₃C₂界面促级联转移。结论为：所制Ti₃C₂/CuO_1?X–PNMP/P1HP光阴极在模拟与天然海水中无牺牲剂实现~6 μmol h^?1 cm^?2产氢与?0.13 mA cm^?2光电流，协同缺陷工程、MXene导电与聚合物桥接解决了宽谱响应与界面传输矛盾，为直接太阳能海水制绿氢提供可规模化低成本的候选平台。