R-scheme Ti3C2 MXene/MoS2 纳米片的 2D/2D 异质结增强光催化性能
摘要
二维(2D)材料与半导体的结合被认为是制造光催化剂以解决环境污染和能源危机的有效途径。在这项工作中,通过水热反应成功合成了 R 型 Ti3C2 MXene/MoS2 纳米片的新型 2D/2D 异质结。 Ti3C2 MXene/MoS2 复合材料的光催化活性通过光催化降解和析氢反应进行评估。特别是,0.5 wt% Ti3C2 MXene/MoS2 样品表现出最佳的甲基橙 (MO) 降解和 97.4% 的 H2 析出率和 380.2 μmol h -1 g −1 ,分别归因于增强的光吸收能力和增加的比表面积。此外,Ti3C2 MXene 与 MoS2 纳米片的结合有利于改善光电流响应和降低电化学阻抗,从而增强受激半导体的电子转移并抑制电荷复合。该工作表明,Ti3C2 MXene可能是一种很有前景的载体,可用于构建光催化降解和析氢反应中的二维/二维异质结。
介绍
近年来,工业科技发展迅猛,而环境问题和能源危机却更加严重[1,2,3,4]。自 1972 年以来,已经报道了氧化钛 (TiO2) 用于分解水的重要应用 [5]。研究人员一直致力于将TiO2基复合材料的响应扩展到可见光区域,探索窄带隙半导体以更好地应对环境污染和能源危机[6,7,8,9,10,11,12]。
金属硫化物半导体催化剂由于带隙窄、毒性低和催化能力优良,被认为是解决环境污染和能源危机的重要载体[13, 14]。 MoS2 纳米片相对较窄的带隙(Eg =1.8 eV)、独特的光学性质和层状结构吸引了越来越多的关注[15,16,17,18]。 MoS2 已与多种二维 (2D) 材料和半导体结合,例如 TiO2 [19]、氧化石墨烯 (GO) [20]、g-C3N4 [21]、SnO2 [12]、Bi2WO6 [22]、Bi2O2CO3 [23] 和 CdS [24],以提高光催化降解和制氢效率。研究证明,在可见光照射下,MoS2/CdS纳米复合材料可在60 min内降解较高浓度的甲基橙(MO)(30 mg/L)有机污染物[24]。
自2011年首次报道以来,MXenes作为二维材料家族的一员,受到了研究人员的广泛关注[25,26,27]。 MXenes 可以通过用 HF 或 HCl/LiF 蚀刻 A 层从 MAX 相制备,其具有优异的电化学性能、化学稳定性和表面上的众多亲水功能 (-OH/-O) [28,29,30] .最流行的 Ti3C2 MXene 可以通过用强酸剥离 Ti3AlC2 获得 [31]。其优异的导电性和二维层状结构被认为是钠离子电池(SIBs)和电化学电容器的储能材料[31,32,33,34]。
具有丰富氧化表面基团的 Ti3C2 MXene 有利于 MXene 和半导体之间形成异质结 [35,36,37,38]。异质结有助于在光催化剂和助催化剂之间建立牢固的界面接触。由于强烈的物理和电子耦合作用,界面接触可以大大增强异质结界面上光生载流子的转移和分离,是提高光催化性能的关键因素[39,40,41]。>
例如,TiO2/Ti3C2 和 Ti3C2/Bi2WO6 复合材料表现出优异的光催化 CO2 还原活性,这归因于高效的电荷载流子分离和丰富的活化位点 [42, 43]。 g-C3N4/Ti3C2 光催化剂的制氢性能显着提高,这归因于优异的导电性和高效的电荷转移 [44]。 TiO2/Ti3C2和α-Fe2O3/Ti3C2杂化物通过构建异质结,可提高紫外光和可见光下有机污染物的光催化降解效率[45,46,47]。
在此,R-scheme Ti3C2 MXene/MoS2 光催化剂的二维/二维异质结是通过水热法合成的。 Ti3C2 MXene/MoS2 复合材料的光催化活性通过在可见光照射下 MO 的光催化降解和析氢反应 (HER) 来评估。光催化性能反映在相同条件下,与纯 MoS2 相比,MoS2 与 Ti3C2 MXene 偶联表现出更高的降解能力和 H2 产率。增大的比表面积和增强的光吸收能力可归因于由 Ti3C2 MXene 诱导的 MoS2 纳米片的形态从蹲伏变为拉伸。最重要的是,MoS2和Ti3C2 MXene之间的强相互作用有利于构建2D/2D异质结,有效促进光电子从空位的分离和转移,从而显着提高光催化活性。
方法/实验部分
光触媒制备
原材料
Ti3AlC2 MAX 粉末(> 98 wt% 纯度)、氢氟酸、钼酸铵 ((NH4)6Mo7O24•4H2O)、硫脲 ((NH2)2CS) 和亚甲基橙由上海粤环有限公司(中国上海)购买和国耀化工有限公司(中国)。
Ti3C2 纳米片的合成
Ti3AlC2 黑色粉末在室温下在 49% HF 溶液中通过搅拌 26 h 蚀刻以去除 Al 层。处理后的粉末用去离子水通过离心 7~8 次洗涤,直至 pH 值达到 7。将 Ti3C2 悬浮液超声处理 6 h,然后在 10,000 rpm 下离心 20 分钟 [48]。最后将溶液干燥,得到最终产物Ti3C2 MXene纳米片。
Ti3C2 MXene/MoS2(表示为TM)复合材料的水热制备
首先将1.1 g钼酸铵((NH4)6Mo7O24•4H2O)和2.2 g硫脲((NH2)2CS)溶解在去离子水中,剧烈搅拌60 min,形成均匀溶液,标记为溶液A。然后,将一定量的 Ti3C2 纳米片加入 20 ml 去离子 (DI) 水中搅拌 30 分钟,然后额外超声处理 40 分钟,标记为溶液 B。然后在超声处理下将 B 逐滴混合到 A 中,持续 30 分钟.将混合溶液转移到 100 mL 特氟龙衬里的高压釜中,并在 180 °C 下保持 7 小时。冷却至室温后,所得黑色催化剂用去离子水洗涤3次,除去分散剂,然后在真空烘箱中70 ℃干燥10 h。通过加入 Ti3C2 溶液,Ti3C2 MXene 与 MoS2 的质量比分别设置为 0、0.1%、0.3%、0.5%、1.0% 和 2.0 wt%。制备的样品分别标记为TM0、TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1和TM2。
光催化降解亚甲基橙
所有降解实验均在 100 mL 烧杯中进行,并不断搅拌。选择甲基橙来评价样品的光催化活性。 MO的光催化降解试验采用400 W金属卤化物灯进行。在典型的 MO 降解实验中,将 50 mg Ti3C2/MoS2 样品分散到 50 mL MO 水溶液(20/30/50 mg/L)中。然后,将含催化剂的溶液在强磁力搅拌下在暗处放置60 分钟以建立吸附平衡。样品经超声波处理1 min后开灯,使催化剂在溶液中分散良好。每隔一定时间,提取约3.5 mL混合溶液,8000rpm离心4 min -1 去除固体催化剂粉末。 464 nm 波长处的变化由 MO 溶液的浓度决定,使用紫外-可见分光光度计测量。 MO溶液的初始浓度记为C0,Ct分别表示某一时刻MO溶液的浓度。样品的降解效率通过相对吸光度Ct/C0来反映。
光催化制氢评价
光催化析氢试验在常温常压下在 50 mL 石英烧瓶中进行。将 5mg TM 样品分散在含有 0.35 M Na2S 和 0.25 M Na2SO3 的 70 mL 水溶液中,并用配备 420 nm 截止滤光片的 300 W Xe 灯照射。辐照前,气体 (N2) 连续通入 35 min 以去除氧气。 H2的产生采用配备TCD检测器的气相色谱仪(Agilent 7890)检测。
微观结构表征
Ti3C2/MoS2 样品的相分析通过 X 射线衍射仪(XRD,Cu Kα,Bruker D8 Advance,德国)在 40 kV 和 40 mA 下进行。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM,Zeiss Ultra Plus,Zeiss,Germany)结合能量色散光谱法(EDS)观察复合材料的微观形貌。使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM,JEM-2100F,日本电子,中国)观察 MoS2 和 Ti3C2 之间的形貌和异质结界面。红外光谱由傅里叶变换红外光谱(FTIR,Nexus,Therno Nicolet,美国)记录在 400 到 4000 cm -1 范围内 .粉末的光学特性由带有积分球的 UV-Vis 漫反射光谱仪(DRS,Lambda 750S,PerkinElmer,USA)执行。通过X射线光电子能谱(XPS,ESCALAB 250Xi,Thermo Fisher Scientific,China)研究所得催化剂的化学状态。
电化学测量
电化学测试由1030 A CHI电化学站测量。在典型的实验中,将 5 mg TM 样品和 110 μL 5 wt% Nafion 溶液分散在 2.5 mL 1:4 v/v 乙醇和水中,超声处理 9 分钟以形成均匀悬浮液。随后,将 5 μL 的墨水滴在玻璃碳电极 (GCE) 表面上。电化学阻抗谱 (EIS) 测试在相同的配置下在过电位 n 下进行 =200 mV,从 0.1 到 105 kHz,交流电压为 5 mV。
结果与讨论
Ti3AlC2 和 Ti3C2 MXene 在 2θ 范围内的结晶分析 =5 − 70°,如图 S1 所示。 Ti3AlC2 的显着衍射峰位于 2θ =39° 消失,Ti3C2 MXene 2θ 峰 =9.7° 转向更低的角度,表明 Ti3AlC2 已成功转变为 Ti3C2 [42]。图 1 显示了添加了各种 Ti3C2 的 TM 样品的 XRD 谱图,并且 TM0 样品的主要衍射峰已指向晶格常数 a = 的纯 MoS2 3.16 和 c = 分别为 12.294 Å(JCPDS 编号 37-1492)[15]。与 Ti3C2 结合后,TM 复合材料的 (002)、(100) 和 (103) 面的主要衍射峰显示出比 TM0 更宽且强度降低的衍射峰,表明 MoS2 受到 Ti3C2 生长限制效应的抑制 [49]。未检测到明显的 Ti3C2 MXene 衍射峰,这是由于 Ti3C2 负载量低且在复合材料中分散良好。
<图片>TM0、TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1和TM2复合材料的XRD图
图>图 2 中观察到具有不同 Ti3C2 量的 Ti3C2/MoS2 复合材料的形态图像。它表明所有样品都显示出花状纳米球特征,孔在表面随机分离。 TM复合材料的花状结构由平均厚度约15 nm的不规则纳米片组成。
<图片> 图片>a 的 FESEM 图像 TM0,b TM0.1,c TM0.3,d TM0.5,e TM1 和 f TM2
图>图 2a 展示了 TM0 的典型微观结构,直径约为 200-400 nm。图 2b-f 给出了 TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1 和 TM2 的 FESEM 图像。可以看出,所有样品与纯 MoS2 具有相似的形态羽毛。层状的 Ti3C2 MXene 表面更光滑,片晶边缘有花状的 MoS2 微球富集,表明 Ti3C2 MXene 的结构在水热合成过程中没有被破坏。图 S2a 显示了在(2D)MoS2 和(2D)Ti3C2 之间紧密耦合的 2D/2D 异质结。相应的 EDS 映射图像如图 S2b-e 所示,反映了 Mo、Ti 和 C 元素均匀分散在 TM 复合材料中。
TM 复合材料的光吸收特性通过 UV-Vis DRS 光谱分析,如图 3a 所示。 TM0.5在可见光和紫外光范围内具有最强的光吸收能力,与TM0形成鲜明对比。可以注意到,在一定范围内,随着Ti3C2含量的增加,TM复合材料的光吸收强度显着增强。特别是,过量的 Ti3C2 会降低 TM 样品的光催化性能,这归因于过量的 Ti3C2 添加阻止了 MoS2 纳米片的光吸收 [50]。
<图片> 图片>一 合成后的 TM0、TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1 和 TM2 样品的 UV-vis 漫反射光谱 (DRS)。 b 所制备的 TM0 和 TM0.5 粉末的 N2 吸附-解吸等温线。 c TM0、TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1和TM2的光电流响应。 d TM0和TM0.5样品的电化学阻抗谱
图>图 3b 显示了 TM0 和 TM0.5 样品的 N2 吸附-解吸等温线及其孔径分布曲线(图 3b 插图)。两个样品在测试前都在 100 °C 下处理 4 小时。 TM0和TM0.5的平均孔径为24.9和29.1 nm。 TM0和TM0.5样品的Brunauer-Emmett-Teller表面积分别为8.51和10.2 m 2 g −1 ,分别表明TM0.5比TM0样品具有更大的比表面积和更强的N2吸附能力。
光生空穴和电子的分离效率由瞬态光电流响应(I-t 曲线)证实,如图 3c 所示。 TM0.5 样品表现出比 TM0 更高的光电流强度,这归因于光电子从 MoS2 的导带有效迁移到 Ti3C2 纳米片。如图3d所示,通过电化学阻抗谱(EIS)探索了TM样品的电荷载流子重组/转移行为。在这些样品中,最大和最小的 Nynquist 曲线弧尺寸分别由 TM0 和 TM0.5 光催化剂显示,表明 Ti3C2 MXene 的高电导率有利于电子迁移。然而,在 TM2 样品中可以观察到更大的弧半径(图 S4),这表明太高的 Ti3C2 负载导致载流子转移阻抗的增加。显然,I-t和EIS结果的良好一致性证实了Ti3C2的含量会影响光生载流子的转移。
图 S5 显示了 TM0 和 TM0.5 样品的 FT-IR 光谱。在 600、910、1100 和 1630 cm −1 处的吸收带 分别对应于 Mo-S、S-S、Mo-O 和 -OH 拉伸 [51]。约 3350 cm −1 处的波段 通过表面水伸缩振动与-CH2 基团相连[52]。与TM0样品相比,TM0.5样品的所有峰都有轻微的偏移,表明MoS2和Ti3C2纳米片之间出现了强相互作用。
TM0 和 TM0.5 复合材料的 HRTEM 图像在图 4a、b 中进一步观察到。总的来说,随着 Ti3C2 添加量的增加,MoS2 纳米片的重叠程度和 MoS2 微球的团聚程度降低。具体而言,对于纯 MoS2 纳米片,可以注意到 MoS2 的重叠,这不利于可见光的吸收,如图 4a 所示。随着 Ti3C2 添加量的增加,MoS2 的形貌逐渐从蹲伏状态转变为拉伸状态(图 4b),这可以带来比表面积的扩大和活性位点的增加。超薄层状 Ti3C2 纳米片在溶液中分散良好并与 MoS2 紧密接触。这有利于通过强物理耦合促进 MoS2 纳米片的拉伸,这将在光催化过程中的电子转移中发挥重要作用。同时,随着 Ti3C2 含量进一步增加到 1 和 2 wt%,大量的 MoS2 纳米片随机重叠并聚集在 Ti3C2 基底上,如图 S6a、b 所示。
<图片>一 , b TM0 和 TM0.5 样品的 TEM 图像。 c Ti3C2/MoS2 的 HRTEM 图像。 d STEM 图像。 e , f , d , h , i TM0.5样品Mo、S、C、Ti、F元素的EDS映射图
图>图 4c 给出了 TM0.5 的异质结结构。 0.23 和 0.62 nm 的晶格间距分别分配给 Ti3C2 的 (103) 晶面和 MoS2 的 (110) 晶面 [24, 47]。紧密接触的异质结促进了异质结界面处光生载流子和空穴的转移和分离[43]。可以在图 S6c、d 中观察到 TM 样品中异质结结构的更多细节。 TM0.5 的扫描透射电子显微镜(STEM)如图 4d 所示,Mo、S、C、Ti 和 F 的相应 EDS 映射在图 4e-i 中给出。 C、Ti、Mo 和 S 元素的原子比(图 S3)分别为 62.68、3.79、10.56 和 22.97%。接枝在超薄 Ti3C2 纳米片上的花状 MoS2 的清晰轮廓证明 Ti3C2 纳米片与 MoS2 偶联成功构建了紧密的异质结。 SEM和TEM图像均表明TM复合材料合成成功。
为了进一步确认复合材料中Ti3C2和MoS2共存,采用XPS分析TM0.5样品的表面化学成分和状态,如图5所示。 所有元素(Mo、S、Ti、O、C)在 XPS 调查光谱中观察到。特征峰 36.4、160.6、226.8、283.6 和 529.7 eV 分别标记为 Ti 3p、S 2p、Mo 3d、C 1 s 和 O 1 s [19]。在图5b中,结合能223.86、226.69和229.99 eV的三个峰分别归属于S 2 s、Mo 3d5/2和Mo 3d3/2,表明存在Mo 3+ 在 TM 杂种中。如图 5c 所示,根据 S 2p,两个峰位于 159.53 和 160.72 eV。属于Ti3C2的C 1 s峰出现在结合能282.38和283.57 eV处,如图5d所示。
<图片>一 b的XPS勘测光谱和高分辨率XPS光谱 莫 3d,c S 2p,d TM样品中的C 1 s
图>图 6a、b 显示了在可见光照射下对各种 TM 样品降解 MO 的光催化活性。空白实验证明,在没有催化剂的情况下,90 min 反应内 MO 溶液没有明显变化,如图 6a 所示。事实证明,MO 分子具有化学稳定性且难以分解。通过在黑暗中搅拌混合物 1 h,在光催化降解之前消除吸附效应。在暗处处理60 min后,37~51%的MO被不同的TM复合材料吸附。所有样品都表现出很强的物理吸附能力,TM0.5 样品由于比表面积增加而表现出比其他样品更强的吸附能力。吸附后以平衡MO浓度为初始浓度进行后续光催化降解实验。
<图片>一 光催化降解性能。 b 对应的速率常数k TM0、TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1和TM2复合材料在可见光照射下(30 mg/L MO溶液)的值
图>显然,所有的 TM 复合材料在可见光照射下都表现出比原始 MoS2 更高的光降解能力,表明添加少量 Ti3C2 MXene 可以增强 MoS2 的光催化活性。当MXene的添加量从0增加到0.5 wt%时,MO的总降解量急剧增加。 TM0.5样品获得了最高的光催化性能,97.4%的MO溶液在30 min内降解。通过进一步增加 Ti3C2 添加到 2 wt%,TM 复合催化剂的降解能力降低。这种现象可归因于过多的 Ti3C2 阻碍了 MoS2 纳米片对可见光的吸收,降低了光催化活性 [53]。不同TiO2基复合材料在可见光下光催化降解MO的比较见表S1。
此外,根据拟一级动力学理论 (ln (C0/Ct)) =kt,拟合了 MO 的降解动力学,其中 k 是表观一阶速率常数,如图 6b 所示。可以得到,TM0、TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1和TM2的动力学速率常数分别为0.00135、0.00308、0.00454、0.00836、0.00401和0.00401,0.00
为了研究 TM0.5 复合材料在不同 MO 浓度下的光催化活性,图 S7a 中给出了 20、30 和 50 mg/L 的 MO 溶液的降解。一般来说,TM0.5 样品的降解效率随着 MO 溶液浓度的增加而降低。可以注意到,> 90% 的低浓度 MO 溶液在 25 分钟内降解。图S7b、c分别为30和50 mg/L MO溶液紫外吸收光谱的变化。由于TM0.5的光降解作用,MO溶液在554 nm处的强吸收峰逐渐减小。此外,TM0.5样品在125 min内降解MO(50 mg/L)也表现出很强的降解能力(接近80%)。以上结果证明TM光催化剂在降解高浓度有机污染物方面具有潜在的应用前景。
在相同条件下重复3次测试光催化剂的稳定性。通过高速离心处理从混合溶液中分离 TM0.5。 TM 样品的稳定性如图 7a 所示,TM0.5 样品的光催化活性在光降解过程的 3 次循环后没有显着下降,这表明光催化剂具有优异的稳定性和可持续性[54]。光催化剂的结构稳定性是通过比较使用前后的XRD得到的,如图S8所示。
<图片> 图片>一 TM0.5样品在相同条件下重复3次光催化降解MO的光催化实验。 b 不同清除剂对可见光下MO光降解过程的影响
图>通过捕获实验获得了光催化降解的潜在机制。光生空穴 (h + ) 和羟基自由基 (•OH) 在光催化降解过程中起着至关重要的作用 [21]。引入三乙醇胺 (EDTA) 和叔丁醇作为清除剂来淬灭活性空穴 (h + ) 和羟基自由基 (•OH) 分别在可见光照射下。如图 7b 所示,当不添加清除剂时,TM0.5 复合材料表现出最好的光催化活性。在 EDTA 或叔丁醇存在下,MO 的降解受到显着抑制,表明光生空穴和羟基自由基都参与了光催化反应。加入 EDTA 后,MO 的降解显着降低(小于 40%),表明空穴在降解反应中起关键作用。因此,光催化降解的主要活性物种是光生空穴(h + ),然后是羟基自由基 (•OH)。
R-scheme Ti3C2 MXene/MoS2 的二维/二维异质结有利于电子从 MoS2 的导带迁移和聚集到 Ti3C2 的活性位点,从而加速光催化析氢过程。图 8a 显示了在可见光照射下不同 TM 样品的 H2 生产活动的比较。纯 MoS2 (TM0) 样品显示出较差的光催化产氢率 (65.4 μmol h −1 g −1 ) 由于光载流子的快速重组。与 Ti3C2 纳米片偶联后光催化产氢率显着提高,表明 2D Ti3C2 MXene 的电子受体可以有效提高电子迁移率。 Ti3C2 MXene/MoS2 复合材料中 Ti3C2 的最佳负载量为 0.5 wt%,符合 380.2 μmol h -1 g −1 .然而,随着 Ti3C2 负载量增加到 0.5 wt%,产氢率增加,然后在 Ti3C2 负载量较高时降低。 TM1和TM2样品的产氢速率分别为324.7和266.3 μmol h -1 g −1 , 分别。在较高的 Ti3C2 负载量下析氢速率的降低可以描述为过量的 Ti3C2 MXene 对 MoS2 的可见光屏蔽。
<图片>一 TM0、TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1和TM2样品在可见光照射下的光催化析氢速率。 b TM0.5用于水分解工艺的回收试验
图>此外,通过循环光催化产氢试验进一步分析了TM0.5光催化剂的可回收性。如图 8b 所示,在辐照下经过 6 个循环和 5 h 的间歇反应后,H2 的产生保持稳定,这表明 Ti3C2/MoS2 复合材料具有很强的稳定性。
R-scheme Ti3C2 MXene/MoS2 的 2D/2D 异质结上的光催化反应的可能机制如图 9a 所示。光生电子来自 MoS2 的 VB,并在可见光照射下转移到相应的 CB。由于 Ti3C2 的 EF 的活性高于 MoS2 的 CB 电位,光电子可以通过紧密接触的异质结从 MoS2 的导带 (CB) 快速转移到 Ti3C2 [55]。在典型的降解过程中,Ti3C2 MXene 表面积累的大量电子与氧 (O2) 反应生成超氧自由基 (•O2 − )。同时,氢氧根离子 (OH − )和吸附在催化剂表面的水与光生空穴反应生成羟基自由基(•OH)[46]。
<图片> 图片>一 MoS2 和 Ti3C2 的能级结构图。 b 异质结界面光致电子转移过程示意图
图>光催化析氢反应的步骤由方程式描述。 (1)-(3)关于Ti3C2的活性过程:
$$ {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}+\ast \to \mathrm{H}\ast +{\mathrm{ H}}_2\mathrm{O} $$ (1) $$ {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}+\mathrm {H}\ast \to {\mathrm{H}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ (2) $$ \mathrm{H}\ast +\mathrm{H}\ast \to {\mathrm{H}}_2 $$ (3)活性位点在HER过程中可以用*表示。 Ti3C2 MXene的表面终止吸收H3O + 离子和电子形成 H 原子,这称为 Volmer 反应,如方程式 1 所示。 (1). The H atom combines with an electron from Ti3C2 and another H3O + to form a hydrogen molecule, which is known as the Heyrovsky mechanism, as depicted in Eq. (2). A H2 molecule is formed by two H atoms on the active sites, which is called the Tafel mechanism, as displayed in Eq. (3) [44].
The 2D/2D heterojunction of TM samples is illustrated in Fig. 9b. The photogenerated electrons can rapidly migrate from MoS2 to the surface of Ti3C2 nanosheets due to the electronic transfer channel of 2D/2D heterojunction. The excellent electronic conductivity of 2D Ti3C2 can effectively extend the separation time and reduce the recombination of photogenerated electron hole pair [56]. Therefore, the photocatalytic activity is enhanced obviously.
结论
In summary, 2D/2D heterojunction of R-scheme Ti3C2 MXene/MoS2 composites is successfully synthesized by hydrothermal method. The Ti3C2 MXene/MoS2 photocatalysts display remarkably enhanced photocatalytic activity for the degradation of MO and H2 evolution reaction compared with pristine MoS2. The 0.5 wt% Ti3C2 MXene/MoS2 sample reaches an optimum MO degradation of 97.4% after 30 min irradiation and hydrogen evolution rate of 380.2 μmol h −1 g −1 under visible irradiation. The morphology and structure analysis confirm that MoS2 nanosheets are induced by ultrathin Ti3C2 MXene from crouching to stretching, which may greatly increase the specific surface area and enhance the light absorption ability. More importantly, Ti3C2 MXene coupled with MoS2 nanosheets can effectively receive and transfer electrons from excited semiconductor, which is beneficial to suppress the charge recombination and improve the interface charge transfer processes. In this work, the constructed novel 2D/2D heterojunction of R-scheme Ti3C2 MXene/MoS2 demonstrates that Ti3C2 MXene can become a promising cocatalyst in photocatalytic reaction.
数据和材料的可用性
本研究期间生成或分析的所有数据均包含在这篇已发表的文章及其补充信息文件中。
缩写
- XRD:
-
X射线衍射
- SIB:
-
钠离子电池
- 她:
-
析氢反应
- TM:
-
Ti3C2 MXene/MoS2
- FESEM:
-
场发射扫描电镜
- EDS:
-
能量色散光谱法
- HRTEM:
-
高分辨透射电子显微镜
- FTIR:
-
傅里叶变换红外光谱
- DRS:
-
UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy
- XPS:
-
X射线光电子能谱
- EIS:
-
电化学阻抗谱
- STEM:
-
扫描透射电子显微镜
- EDTA:
-
三乙醇胺
纳米材料
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