杨为佑团队JMCA综述：基于MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂的研究进展- 大数跨境

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杨为佑团队JMCA综述：基于MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂的研究进展

科学材料站

2021-05-26

导读：本文首先讨论了MXenes及其衍生物对g-C3N4基光催化剂改性的基本光催化机理，然后评述了当前g-C3N4基光催化剂与MXenes及其衍生物耦合的各种策略，论述了MXenes及其衍生物改性的g-C3

文章信息

基于MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂研究进展

第一作者：侯慧林

通讯作者：杨为佑

单位：宁波工程学院，郑州大学

研究背景

二维氮化碳(g-C3N4)作为可见光响应性光催化剂，在太阳能转化和环保领域具有潜在应用前景，但其固有缺点如光生载流子易复合以及光吸收能力不足等阻碍了其发展。

因此，研究者们报道了各种方法来克服这些缺点，如形貌优化、非金属元素掺杂、构建异质结构等。

近年来研究表明，将MXenes及其衍生物与g-C3N4耦合，不仅可显著提高光生载流子的分离效率，并且MXenes能够提供更多的反应活性位点，有望成为显著强化g-C3N4基材料的光催化特性的有效策略之一。

图1. 代表性MXenes及其衍生物改性g-C3N4光催化剂的研究工作。

文章简介

基于此，宁波工程学院杨为佑研究员、侯慧林副教授与郑州大学邵刚教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A 上发表题为“Recent Advances in g-C3N4-based Photocatalysts Incorporated by MXenes and Their Derivative”的综述文章。

在这篇综述中，首先讨论了MXenes及其衍生物对g-C3N4基光催化剂改性的基本光催化机理，然后评述了当前g-C3N4基光催化剂与MXenes及其衍生物耦合的各种策略，论述了MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂在产氢，二氧化碳还原、污染物降解、固氮和产过氧化氢等领域的最近研究动态和进展，最后对该领域现存的研究挑战及其未来发展方向做了展望。

图2. 论文论述的主要内容。

本文要点

要点一：MXenes及其衍生物对g-C3N4基光催化剂改性的基本光催化机理

由于MXenes的费米能级比g-C3N4更低，当g-C3N4和MXenes耦合后将形成异质结，如肖特基、II型和Z型异质结，从而有效促进光生载流子分离。

图3. 基于MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂所构筑的典型异质结示意图。

要点二：g-C3N4基光催化剂与MXenes及其衍生物耦合策略

g-C3N4和MXenes及其衍生物的耦合，主要有静电自组装、原位热聚合、溶液混合和机械研磨辅助煅烧等。其中，静电组装法为文献报道最常用的策略之一。

该方法首先将预先合成的g-C3N4与MXenes材料带上相反电荷，然后通过静电作用实现两者之间的耦合，具有简便高效的特点。

图3. 基于MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂所构筑的典型异质结示意图。

要点三：MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂在光催化领域的研究进展

MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂的应用领域，主要包括：光催化分解水产氢、光催化二氧化碳还原、光催化降解有机污染物、光催化固氮、以及光催化产过氧化氢等。当前，大量的研究报道集中在光催化分解水产氢。

图5. MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂在光催化分解水产氢的应用实例

要点四：挑战与展望

迄今为止，MXenes及其衍生物改性的g-C3N4材料，在光催化领域展示出一定的潜在应用前景，但仍然存在一些困难和挑战，主要包括：

1）通过能带结构合理设计和构筑异质结，是本领域的核心之一。尽管MXenes与g-C3N4的耦合能形成异质结促进光生载流子分离，但如何实现电荷的快速转移，依然是个挑战。最近文献提出的S型异质结光催化体系，有望促进光生载流子在空间上的有效分离，对MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂设计具有指导意义。

2）MXene衍生物通常是通过MXenes表面氧化得到的。如何精确控制MXenes的氧化程度，亟待研究解决。因此，需要深入明晰MXenes的氧化途径及其反应机理，这是实现MXenes衍生物与g-C3N4有机耦合的关键之一。

3）尽管MXenes材料体系被广泛挖掘和报道，但目前用于g-C3N4改性的主要集中在Ti3C2体系，其他典型的MXenes如Mo2ScC2、Mo2C、TiNbC、Ta4C3和V2C鲜有文献报道，值得探索。

4）MXenes及其衍生物改性的g-C3N4光催化剂，其构效关系尚不十分清晰，其表面催化反应的热力学和动力学还需深入探究。

本文链接

Recent Advances in g-C3N4-based Photocatalysts Incorporated by MXenes and Their Derivatives

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta02527a#!divAbstract

通讯作者介绍

杨为佑博士生导师，教授。

2005年博士毕业于清华大学材料科学与工程系，博导、二级教授、享受国务院政府特殊津贴，乌克兰外籍院士，英国皇家化学会会士。现为宁波工程学院材料工程研究所所长、“第三代半导体低维材料与器件”浙江省高校高水平创新团队负责人、国内外50余个知名期刊的论文评审/仲裁专家。主要从事无机非金属半导体低维材料的合成及其光电器件研究，先后主持宁波市顶尖人才科技项目1项、国家重点研发计划(973计划)前期研究专项1项、国家自然科学基金6项，在Chem. Soc. Rev.、Prog. Mater. Sci.、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等发表SCI论文180余篇。

第一作者介绍

侯慧林副教授。

2015年博士毕业于太原理工大学，现为宁波工程学院副教授，入选首批浙江省高校领军人才培养计划青年优秀人才与宁波市领军与拔尖人才。主要从事半导体微纳米结构的合成及其光/电催化特性研究。在Prog. Mater. Sci., J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem., Int. Ed.等发表SCI论文50余篇。