在单一系统中同步收获和转换多种可再生能源用于化学燃料生产和环境修复是可持续能源技术的圣杯。然而，开发满足不同工作机制的先进能量采集器具有挑战性。在这里，研究者从理论上和实验上揭示了 MXene 材料作为多能源利用的多功能催化剂的用途。Ti3C2TX MXene 对有机污染物分解和氢气生产表现出卓越的催化性能。在光、热和机械能的刺激下，它的性能优于大多数报道的催化剂。此外，使用Ti3C2TX时，压电热催化和压电光热催化的协同效应进一步提高了性能。机理研究表明，在不同的能量刺激下，Ti3C2TX 上会产生羟基和超氧自由基。此外，Ti2CTX、V2CTX 和 Nb2CTX MXene 材料也实现了类似的多功能性。这项工作预计将为使用 MXene 材料收集多源可再生能源开辟一条新途径。
 
Fig 1. Ti3C2 和 Ti3C2TX 的能带和晶体结构。 a-d 计算得出的 Ti3C2 和 Ti3C2TX 单层的能带和偶极矩。 e 单层Ti3C2TX晶体结构的俯视图，其中简化的TX-Ti六方结构（上）和Ti-C六方结构（下）发生拉伸变形，从而产生压电性。 f 单层 Ti3C2TX 晶体结构的侧视图以及 TX-Ti（上）和 Ti-C（下）键在 x-z 平面拉伸过程中晶体结构变形的简化模型，从而产生压电性。
 
Fig 2. Ti3C2TX 的表征。 a SEM图像，b HRTEM图像，Ti3C2TX的XPS谱：c Ti 2p，d O 1s，e F 1s.f AFM图像，g Ti3C2TX的PFM图像。 h Ti3C2TX 的幅度-电压曲线。 i Ti3C2TX 的光照射-温度曲线。 j Ti3C2TX 的热图像。
 
Fig 3. MB 的催化降解。 a Ti3AlC2 和 Ti3C2TX 降解亚甲基蓝 (MB) 的压电催化效率。 b 超声处理 60 分钟后不同极性半导体的 MB 去除率和相应的速率常数。 c 在黑暗中连续搅拌（1000 rpm）、298 K 下不同样品上 MB 的压电催化降解。 d, e MB 在 Ti3C2TX 上的热催化降解以及相应的速率常数。 f–h Ti3C2TX 上 MB 的压电热催化降解和相应的速率常数。 (a-h)中的所有数据均收集了3次，误差线代表标准差。
 
Fig 4. Ti3C2TX 光热催化降解 MB 及反应机理a 光热催化测试示意图。b 在700-1200 nm近红外光照射下MB的光热催化降解。 c Ti3C2TX 在超声处理下的瞬态电流响应。 d 30 分钟内不同反应条件下Ti3C2TX 上•OH 和•O₂ ^- 的浓度。 e 338 K 超声处理下 Ti3C2TX 上 TA 溶液的荧光光谱。 f 338 K 超声处理下 Ti3C2TX 上 NBT 分子的吸光度。g 不同能源刺激下Ti3C2TX降解有机物的反应机理。 (b,d)中的所有数据均收集了3次，误差线代表标准差。
 
Fig 5. MXene 上的催化氢气生产和 MB 降解。黑暗中超声处理下 Ti3C2TX 的 H2 生产。b Ti3C2TX 与一些报道的典型压电催化剂的析氢性能比较。 c Ti3C2TX在超声处理下的稳定性。 d 十个循环反应后 Ti3C2TX 的 TEM 图像。e 在超声处理条件下，MB 在 MXene 材料上的催化降解。 f 不同反应条件下 V2CTX 上 MB 的催化降解。 g H2 在黑暗中超声处理下产生 V2CTX、Nb2CTX 和 Ti2CTX。 (a–c, e–g)中的所有数据均收集了3次，误差线代表标准差。
 
       相关研究工作由泉州师范学院Xiaoyang Pan课题组和上海师范大学Zhenfeng Bian于2023年联合在线发表在《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。

转自《石墨烯研究》公众号