在單一系統(tǒng)中同步收獲和轉(zhuǎn)換多種可再生能源用于化學(xué)燃料生產(chǎn)和環(huán)境修復(fù)是可持續(xù)能源技術(shù)的圣杯。然而，開發(fā)滿足不同工作機(jī)制的先進(jìn)能量采集器具有挑戰(zhàn)性。在這里，研究者從理論上和實(shí)驗(yàn)上揭示了 MXene 材料作為多能源利用的多功能催化劑的用途。Ti3C2TX MXene 對(duì)有機(jī)污染物分解和氫氣生產(chǎn)表現(xiàn)出卓越的催化性能。在光、熱和機(jī)械能的刺激下，它的性能優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的催化劑。此外，使用Ti3C2TX時(shí)，壓電熱催化和壓電光熱催化的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)一步提高了性能。機(jī)理研究表明，在不同的能量刺激下，Ti3C2TX 上會(huì)產(chǎn)生羥基和超氧自由基。此外，Ti2CTX、V2CTX 和 Nb2CTX MXene 材料也實(shí)現(xiàn)了類似的多功能性。這項(xiàng)工作預(yù)計(jì)將為使用 MXene 材料收集多源可再生能源開辟一條新途徑。
Fig 1. Ti3C2 和 Ti3C2TX 的能帶和晶體結(jié)構(gòu)。 a-d 計(jì)算得出的 Ti3C2 和 Ti3C2TX 單層的能帶和偶極矩。 e 單層Ti3C2TX晶體結(jié)構(gòu)的俯視圖，其中簡(jiǎn)化的TX-Ti六方結(jié)構(gòu)（上）和Ti-C六方結(jié)構(gòu)（下）發(fā)生拉伸變形，從而產(chǎn)生壓電性。 f 單層 Ti3C2TX 晶體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖以及 TX-Ti（上）和 Ti-C（下）鍵在 x-z 平面拉伸過程中晶體結(jié)構(gòu)變形的簡(jiǎn)化模型，從而產(chǎn)生壓電性。
Fig 2. Ti3C2TX 的表征。 a SEM圖像，b HRTEM圖像，Ti3C2TX的XPS譜：c Ti 2p，d O 1s，e F 1s.f AFM圖像，g Ti3C2TX的PFM圖像。 h Ti3C2TX 的幅度-電壓曲線。 i Ti3C2TX 的光照射-溫度曲線。 j Ti3C2TX 的熱圖像。
Fig 3. MB 的催化降解。 a Ti3AlC2 和 Ti3C2TX 降解亞甲基藍(lán) (MB) 的壓電催化效率。 b 超聲處理 60 分鐘后不同極性半導(dǎo)體的 MB 去除率和相應(yīng)的速率常數(shù)。 c 在黑暗中連續(xù)攪拌（1000 rpm）、298 K 下不同樣品上 MB 的壓電催化降解。 d, e MB 在 Ti3C2TX 上的熱催化降解以及相應(yīng)的速率常數(shù)。 f–h Ti3C2TX 上 MB 的壓電熱催化降解和相應(yīng)的速率常數(shù)。 (a-h)中的所有數(shù)據(jù)均收集了3次，誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)差。
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Fig 4. Ti3C2TX 光熱催化降解 MB 及反應(yīng)機(jī)理a 光熱催化測(cè)試示意圖。b 在700-1200 nm近紅外光照射下MB的光熱催化降解。 c Ti3C2TX 在超聲處理下的瞬態(tài)電流響應(yīng)。 d 30 分鐘內(nèi)不同反應(yīng)條件下Ti3C2TX 上•OH 和•O
2 - 的濃度。 e 338 K 超聲處理下 Ti3C2TX 上 TA 溶液的熒光光譜。 f 338 K 超聲處理下 Ti3C2TX 上 NBT 分子的吸光度。g 不同能源刺激下Ti3C2TX降解有機(jī)物的反應(yīng)機(jī)理。 (b,d)中的所有數(shù)據(jù)均收集了3次，誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)差。
Fig 5. MXene 上的催化氫氣生產(chǎn)和 MB 降解。黑暗中超聲處理下 Ti3C2TX 的 H2 生產(chǎn)。b Ti3C2TX 與一些報(bào)道的典型壓電催化劑的析氫性能比較。 c Ti3C2TX在超聲處理下的穩(wěn)定性。 d 十個(gè)循環(huán)反應(yīng)后 Ti3C2TX 的 TEM 圖像。e 在超聲處理?xiàng)l件下，MB 在 MXene 材料上的催化降解。 f 不同反應(yīng)條件下 V2CTX 上 MB 的催化降解。 g H2 在黑暗中超聲處理下產(chǎn)生 V2CTX、Nb2CTX 和 Ti2CTX。 (a–c, e–g)中的所有數(shù)據(jù)均收集了3次，誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)差。
相關(guān)研究工作由泉州師范學(xué)院Xiaoyang Pan課題組和上海師范大學(xué)Zhenfeng Bian于2023年聯(lián)合在線發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，2D MXenes polar catalysts for multi-renewable energy harvesting applications 。
原文：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-39791-w。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
