文 章 信 息

本文中，南京大學蔡宏靈/吳小山團隊聯合西安電子科技大學王勇副教授在MXene助力壓電光催化析氫方面取得新進展，探索了金屬性的超薄MXene碳化鈦 (Ti3C2)在壓電材料氧化鋅中對其光生載流子分離效率的提升作用，為MXenes引入新型壓電光催化劑的構建提供參考。

如圖1所示，該工作首先通過HSE06理論計算獲得了MXene的費米面以及ZnO的導價帶位置，確定在MXene和ZnO之間會形成Schottky接觸，電子將從ZnO轉移到MXene，并且認為異質結 (FTC-ZnO) 內建電場彎曲形成的勢壘有助于光生電子空穴對的分離。

圖 1 MXene和ZnO的導價帶位置以及Schottky接觸模式的示意圖。
在隨后的實驗中，揭示了FTC-ZnO中壓電電荷促進析氫的機理。在圖2中可以看到，由于ZnO 的壓電效應，電壓偏置越高，樣品表面上產生的形變越大。ZnO 或FTC-ZnO壓電響應幅度與高度傳感器圖像所呈現的形貌一致，其壓電響應與偏置幅度成正比。并且FTC-ZnO的壓電響應幅值高于ZnO，這意味著界面肖特基耦合可以使更多的壓電電荷轉移到MXene 的表面。

同時，FTC-ZnO的表面電勢是ZnO的2倍以上，說明MXene 涂層可以增強光捕獲能力，提高基底的表面電勢。當FTC-ZnO 受光照后，與黑暗狀態(tài)下相比，表面電勢下降，這歸因于壓電誘導的極化電荷可以被光生載流子部分屏蔽。這說明FTC-ZnO產生的壓電電荷參與了表面氧化還原反應過程，促進了光載流子的遷移，而ZnO 中的壓電電荷實際上并不參與該過程。因此，FTC-ZnO具有更好的析氫產率。

圖 2樣品的壓電性能。(a) 在FTC-ZnO的MXene上施加應力的示意圖。(b) 在超聲和非超聲條件下，FTC-ZnO和ZnO薄膜的析氫產率。(c) FTC-ZnO高度傳感器的形貌圖。驅動偏壓分別為(d) 1 V、(e) 3 V、(f) 5 V時，其相應的壓電振幅幅值。(g) ZnO薄膜和 (h) FTC-ZnO薄膜在黑暗和光照下的KPFM圖像與相對應的表面電位曲線。
為了進一步挖掘光照和壓電協同作用下FTC-ZnO的優(yōu)點，該工作進行了更多的光電性能表征。從莫特肖特基曲線可以看出，FTC-ZnO的斜率比ZnO小兩個量級，說明異質結具有更大的載流子密度，這有利于載流子的分離，從而得到更好的氧化還原活性。

從電子自旋共振的穩(wěn)態(tài)吸收中可以看出，作為淺層供體的ZnO導帶電子信號被MXene涂層部分屏蔽，證明了電子從ZnO遷移到MXene。并且在FTC-ZnO中，由于電子遷移率的限制，被束縛的電子得以釋放，使得自旋-自旋弛豫時間較短。

這表明在FTC-ZnO中，有更多的電子可以到達表面進行氧化還原反應，優(yōu)化了電子轉移路徑。這些結果成功地證明了設計的FTC-ZnO異質結在強化壓電光催化析氫效果中的優(yōu)異表現。

圖 3 樣品的光電性能。(a)由UV-vis漫反射光譜轉換的K-M曲線。(b) ZnO和FTC-ZnO的Mott-Schottky圖。(c) 不同ZnO薄膜和fcc -ZnO的PL光譜。(d) 325 nm的時間分辨PL光譜。(e) 紫外照射下阻抗譜以及對應的等效電路模型。(f) 光照下的瞬態(tài)光電流響應。(g) ESR穩(wěn)態(tài)吸收光譜。(h) DMPO·OH和 (i) DMPO·O2-絡合物在黑暗和光照下的ESR光譜。

文 章 簡 介

該成果以《Integrated unit-cell-thin MXene and Schottky electric field into piezo-photocatalyst for enhanced photocarrier separation and hydrogen evolution》為題發(fā)表在（Chemical Engineering Journal, 2022, 439(7180), 135640. IF：13.273）上，南京大學物理學院蔡宏靈教授、西安電子科技大學青年教師王勇以及陜西科技大學青年教師張瑜為論文共同通訊作者。南京大學物理學院吳亦章博士和西安電子科技大學博士生楊定怡為論文共同第一作者。

本信息源自互聯網僅供學術交流 ，如有侵權請聯系我們立即刪除。