界面工程化 Bi2Te3-MXene 异质结用于多功能能量转换与存储

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Interface-engineered Bi2Te3-MXene heterostructure for multifunctional energy conversion and storage

　　

摘要

拓扑绝缘体（TI），特别是碲化铋（Bi₂Te₃），具有卓越的电子性能，但其块体形态常受到本征电导率低和结构不稳定性的限制。在本工作中，我们报道了一种战略性界面工程方法，将层状Bi₂Te₃纳米片与导电Ti₃C₂T_x MXene杂化，构建出高性能双功能异质结构。相纯Bi₂Te₃通过表面活性剂辅助水热法合成，并整合入MXene基质中，后者同时充当导电支架和结构缓冲层。基于同步辐射的结构分析和温度依赖的拉曼光谱表明，MXene的引入改变了Bi₂Te₃的结构和振动特性，而TOF-SIMS分析表明MXene对硫族化合物表面进行了有效钝化，防止了Bi₂Te₃的氧化。所得Bi₂Te₃/Ti₃C₂T_x复合材料表现出优越的电催化活性，在析氢反应（HER）中于100 mA·cm^??2电流密度下实现了260 mV的低过电位，在析氧反应（OER）中于100 mA·cm^??2电流密度下实现了490 mV的过电位，氧还原反应（ORR）起始电位为0.81 V，显著优于原始Bi₂Te₃。机理研究表明，HER主要在由部分Bi-O表面终止所启用的Bi位点上进行，而MXene提供快速电子传导和缺陷捕获位点以稳定催化中心。这些结果表明，工程化的2D/2D异质结为下一代能量转换和存储系统中的电荷传输和离子动力学优化提供了一个多功能平台。