能源与环境问题是当前社会面临的两大难题，发展可再生能源利用和转换技术被认为是解决这些问题的有效途径。然而，与传统的化石能源不同，可再生能源（如太阳能、风能、潮汐能等）存在很大的不稳定性，并且高度依赖于季节，气候和地理位置。此外，在实际应用中，一种可再生能源往往伴随着另外一种可再生能源。例如，太阳光的照射除了提供光能，还会伴随着显著的光热效应。而目前大多数半导体光催化剂无法有效利用热能。因此，单一的可再生能源利用技术在实际应用中存在很大局限性。
在实际应用中，可以考虑将多个功能组件集成在一起来实现这一目标。然而这必然会导致复杂的制备过程，较高的制备成本以及各个组件不兼容等问题。因此，寻找具有多功能属性的单一材料变得尤为必要。并且，该材料在利用多种能源的时候，要能实现累加或者协同的效果，而不能互相限制。
针对这一需求，泉州师范学院潘晓阳教授联合福建师范大学杨民权教授，福州大学梁诗景教授和上海师范大学卞振锋教授开展了相关研究。在最近的研究工作中（Nature Communications，14，4183， 2023），采用理论计算模拟和实验验证的方式，首先探索了常见的二维MXene材料（Ti3C2TX）在利用机械能（振动能、水流能）、光能、热能方面的潜力。研究发现（图1），Ti3C2TX材料由于层间的多种官能团，破坏了晶体结构的对称性而产生极性。因此，在应力条件下，该材料能够产生应力载流子，为利用机械能提供了可能性。另外，MXene的金属性为热催化提供了条件。此外，MXene还具有独特的plasmon吸收特性，可以高效地转换光为热量，也可实现光热催化。
图1. Ti3C2TX MXene的晶体和能带结构
接着，采用污染物降解作为目标反应，研究了催化剂的催化性能（图2）。研究结果表明，在超声机械振动甚至是温和的磁力搅拌条件下，催化剂能够利用提供的机械能刺激实现染料的快速降解。这一性能超过了绝大多数极性半导体。值得注意的是，即使在无机械能刺激的黑暗条件下，利用25℃室温环境作为热源，染料也可以缓慢降解。这是大多数半导体催化剂都无法实现的。并且，进一步提高反应温度可以有效加快反应速度。研究还发现，将机械能和热能同时提供给催化剂可以实现更高效、更快速的污染物降解。这种效果不是单一两种能源的简单加和的结果，而是展现出明显的协同作用。
图2. Ti3C2TX多能源催化降解染料污染物
随后，本工作研究了样品的光热催化性能。为了更好地吸收红外光，研究团队将MXene制成薄膜，并漂浮在反应溶液上方。结果显示，该催化剂在近红外光照射下可以实现高效的染料废水降解，并且展现明显的光能-机械能协同效应。该催化剂的性能远超过大多数近红外光催化剂甚至大多数可见光催化剂。通过机理研究发现在多种能源的刺激下，催化剂均会产生活性氧物种，从而参与到催化反应中。
最后，研究团队还研究了MXene催化剂的压电产氢性能。结果表明，该催化剂的压电产氢性能优于大多数已报道的极性半导体催化剂。此外，研究团队还探索了其他类型的MXene材料的催化性能，发现它们与常见的Ti3C2TX材料类似。也具有明显的多能源协同利用的功能。本项工作为多能源利用的催化剂设计和开发提供了新的思路。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39791-w
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