杨锐研究员/余皓教授，CEJ：加速界面电荷转移动力学的高活性Ag/Nb2O5@Nb2CTx (MXene) 光催化剂- 大数跨境

首页

杨锐研究员/余皓教授，CEJ：加速界面电荷转移动力学的高活性Ag/Nb2O5@Nb2CTx (MXene) 光催化剂

科学材料站

2021-02-08

导读：该论文从调控光生载流子的界面迁移路径出发，从具有低功函数的Nb2CTx出发，发展了一种拥有双助催化剂的Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化剂。

文章信息

加速界面电荷转移动力学的高活性Ag/Nb2O5@Nb2CTx (MXene) 光催化剂

第一作者：彭超

通讯作者：杨锐*，余皓*

单位：五邑大学，华南理工大学，中国科学院沈阳金属所

研究背景

Nb2O5是一种常见的金属氧化物半导体，被广泛应用于光催化反应。其晶面取向对其光催化性能有较大的影响，有研究表明暴露(001)晶面的Nb2O5纳米棒的光催化活性要远远优于无晶面取向的Nb2O5纳米颗粒。即便如此，由于光生载流子的体相复合严重，(001)Nb2O5纳米棒的催化活性依旧有限。助催化剂工程能够调控光催化剂的界面光生载流子流向，是提高光催化活性的有效策略。

传统助催化剂如贵金属(Pt, Au, Ag等)负载能够加速电子迁移，有效提高光生载流子的分离效率。但是，电子的有效质量较小、传输通常足够快，而空穴的有效质量更大、传输和反应速率通常很慢，最终导致高电荷复合率。因此，高速的空穴传输动力学是实现高效电荷分离的必然保证。

文章简介

近日，华南理工大学余皓教授与中科院沈阳金属所杨锐研究员合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Engineering highly active Ag/Nb2O5@Nb2CTx (MXene) photocatalysts via steering charge kinetics strategy”的研究论文。

该论文从调控光生载流子的界面迁移路径出发，从具有低功函数的Nb2CTx出发，发展了一种拥有双助催化剂的Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化剂。

详细表征了催化剂的结构和电子特性，对其光解水产氢性能进行了系统探究，分析了该光催化剂的界面电荷转移路径和产氢反应机理。

图1. Ag/Nb2O5@Nb2CTx催化剂的结构和光生载流子界面迁移路径示意图。

本文要点

要点一：0D/1D/2D 结构Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化剂的制备策略

充分利用Nb2CTx的结构特点，从MAX相Nb2AlC出发，通过刻蚀、水热氧化、光沉积处理，制备了具有0D/1D/2D结构的Ag/Nb2O5@Nb2CTx催化剂(图2)。

图2. 0D/1D/2D 结构的Ag/Nb2O5@Nb2CTx催化剂的制备方法示意图。

要点二：Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化剂的微观形貌与界面结构

由表征结果来看，由以上方法成功制备了Ag/Nb2O5@Nb2CTx，该催化剂呈现0D/1D/2D 结构：层状的2D Nb2CTx (MXene)上，1D结构的(001)Nb2O5纳米棒阵列生长，Ag纳米颗粒分散附着在(001)Nb2O5纳米棒上。

仔细观察催化剂的界面结构：发现Nb2O5@Nb2CTx界面晶格连续，表明原位生长的Nb2O5@Nb2CTx具有较低界面缺陷；而Ag/Nb2O5界面显示Ag颗粒牢固负载在Nb2O5上。这样的低缺陷界面的构建为光催化反应中光生载流子在界面处的快速迁移提供了保障。

图3. Ag/Nb2O5@Nb2CTx催化剂的SEM和TEM图。

要点三：Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化剂的表面化学和能带结构分析

图4. Ag/Nb2O5@Nb2CTx催化剂的XPS图谱。

从XPS表征结果来看，制得的Nb2CTx (MXene)表面吸附大量-OH。且随着Nb2CTx的水热处理时间的延长，2D Nb2CTx被氧化成Nb2O5纳米棒的比例越大，Nb2O5@Nb2CTx的表面-OH的含量降低，这进一步说明-OH主要源于Nb2CTx的表面吸附，而不是Nb2O5的表面吸附。

进一步通过紫外光电子能谱(UPS)分析表明，表面吸附-OH的Nb2CTx (MXene)具有较低功函数(2.7 eV)，这与前期DFT计算研究结果相一致。具有低功函数的Nb2CTx (MXene)有望在光催化反应中捕获光生空穴，充当空穴助催化剂。

此外，进一步通过固体紫外漫反射谱、价带谱和莫特-肖特基谱对Ag/Nb2O5@Nb2CTx催化剂的能带结构进行了详细分析。

图5. Ag/Nb2O5@Nb2CTx催化剂的固体紫外漫反射光谱、价带谱、紫外光电子能谱和莫特-肖特基谱。

要点四：Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化剂的光催化产氢与光电化学性能测试

对催化剂的光催化产氢性能进行测试，结果表明，具有双助催化剂的Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化产氢活性要优于具有单一助催化剂的Ag/Nb2O5和Nb2O5@Nb2CTx。

在几种不同牺牲剂的产氢反应中，甘油作牺牲剂时，Ag/Nb2O5@Nb2CTx的产氢活性最高，为824.2 μmol·g-1h-1，高于以往报道的铌基光催化剂的产氢活性。

图6. Ag/Nb2O5@Nb2CTx催化剂的光催化产氢性能。

进一步对催化剂的光电化学性能(瞬态光电流、交流阻抗谱、线性扫描伏安、开路电压衰减、稳态荧光、瞬态荧光)进行了测试，结果表明：具有双助催化剂的Ag/Nb2O5@Nb2CTx光电化学响应要优于Ag/Nb2O5和Nb2O5@Nb2CTx；Ag/Nb2O5@Nb2CTx的界面电荷阻抗要小于Ag/Nb2O5和Nb2O5@Nb2CTx

而Ag/Nb2O5@Nb2CTx的表观光生载流子寿命和荧光寿命均要比Ag/Nb2O5和Nb2O5@Nb2CTx更长。

这进一步说明，具有双助催化剂结构的Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化剂的光生载流子界面分离效率比单一助催化剂的Ag/Nb2O5和Nb2O5@Nb2CTx都要高，因而在光催化产氢反应中表现出更高的催化活性。

图7. Ag/Nb2O5@Nb2CTx催化剂的光电化学性能测试。

要点五：Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化剂的界面电荷转移与光催化产氢机理

通过对Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化剂的结构、表面化学、能带结构、产氢反应、光电化学性能等的详细分析，可以对具有0D/1D/2D结构的Ag/Nb2O5@Nb2CTx光催化剂的界面电荷转移和光催化产氢机理进行分析：光照下，(001)Nb2O5纳米棒阵列作为光激发中心产生大量光生电子-空穴对；价带上的光生空穴向具有低功函数的Nb2CTx (MXene)迁移，并在Nb2O5@Nb2CTx界面发生分离；导带上的光生电子向Ag纳米颗粒进行迁移，在Ag/Nb2O5界面发生分离，并在纳米Ag上完成还原析氢反应。

Ag/Nb2O5@Nb2CTx的双助催化剂结构使(001)Nb2O5纳米棒阵列上激发的电子空穴对发生高效分离，从而提高产氢活性和表观量子效率。Nb2CTx (MXene)在催化剂的制备过程中充当铌源，而在光催化反应中作为空穴助催化剂。

图8. Ag/Nb2O5@Nb2CTx催化剂的界面电荷转移与光催化产氢机理示意图。

该工作可以为深入理解MXene基光催化剂的表面吸附基团(-OH、-O或-F)、电子特性(功函数和吉布斯析氢自由能)、界面电荷迁移方向之间的关系提供了参考，也为新型MXene基光催化剂设计与制备提供借鉴。

文章链接

Engineering highly active Ag/Nb2O5@Nb2CTx (MXene) photocatalysts via steering charge kinetics strategy

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128766

第一作者介绍

彭超博士.

2017年博士毕业于华南理工大学化学与化工学院，2019年加入五邑大学，现为五邑大学专任教师、硕士生导师，主要研究方向为能源与环境催化。以第一作者或通讯作者身份在Nano Energy, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces, Separation and Purification Technology, Ceramics International, International Journal of Hydrogen Energy 等杂志上发表论文十余篇。

通讯作者介绍

杨锐研究员.

1987年于中国科学院金属研究所获硕士学位。1992年于剑桥大学获博士学位后，获选该校圣约翰学院Title A Research Fellow。国家杰出青年基金获得者。历任中国科学院金属研究所所长、沈阳先进材料研究与发展中心主任（兼任钛合金研究部主任）、研究员。兼任Journal of Materials Science & Technology副主编，《金属学报》和《材料研究学报》编委。获周光召基金会2010年度应用科学奖和何梁何利基金会2011年度冶金材料技术奖。目前兼任中国材料研究学会副理事长和中国金属学会副理事长。

杨锐研究员在金属间化合物基础研究方面，发展了基于原子占位概率的估算两相体积分数的方法；在多功能钛合金研究方面，设计合成出一种兼具高强度、高韧度、超弹性、低弹性模量和高阻尼性能的钛合金---Ti2448；还在纤维增强钛基复合材料技术和冷镦钛合金紧固件丝材制备技术和高温结构材料设计等方面均开展了卓有成效的研究。

余皓教授.

1999年获清华大学学士学位，2005年获清华大学博士学位。随后加入华南理工大学，现任华南理工大学化学与化工学院教授、博士生导师。教育部新世纪优秀人才、广东省自然科学基金杰出青年基金、广州市珠江科技新星专项获得者。近年来围绕与化学工艺绿色化、新能源开发与高效利用有关的前沿科学问题，利用新颖纳米碳催化材料，开展多相催化基础理论、催化反应工程及绿色化工新技术的研究与应用开发工作。在Angewandte Chemie-International Edition, Energy & Environmental Science, Journal of Catalysis, ACS Catalysis等发表 SCI 收录论文200 余篇。研究成果已经转化为9项授权专利，获得教育部自然科学一等、二等奖励各 1 次。