光触媒性能を向上させるためのRスキームTi3C2MXene / MoS2ナノシートの2D / 2Dヘテロ接合

要約

二次元（2D）材料と半導体の組み合わせは、環境汚染とエネルギー危機を解決するための光触媒を製造するための効果的な方法であると考えられています。この作品では、RスキームTi ₃の新しい2D / 2Dヘテロ接合 C ₂ MXene / MoS ₂ ナノシートは水熱反応により合成に成功しています。 Ti ₃の光触媒活性 C ₂ MXene / MoS ₂ 複合材料は、光触媒分解と水素発生反応によって評価されます。特に、0.5 wt％Ti ₃ C ₂ MXene / MoS ₂ サンプルは最適なメチルオレンジ（MO）分解とH ₂を示します進化率は97.4％、H ₂ 進化速度380.2μmolh^-1 g ^-1 それぞれ、増強された光吸収能力および増加した比表面積に起因する。さらに、Ti ₃ C ₂ MXeneとMoS ₂の組み合わせナノシートは、光電流応答を改善し、電気化学的インピーダンスを低減するのに有利であり、励起された半導体の電子移動を強化し、電荷の再結合を阻害します。この作品は、Ti ₃ C ₂ MXeneは、光触媒分解および水素発生反応において2D / 2Dヘテロ接合を構築するための有望なキャリアとなる可能性があります。

はじめに

過去数年間で、産業科学技術は大幅に発展していますが、環境問題とエネルギー危機ははるかに深刻になっています[1,2,3,4]。酸化チタン（TiO ₂）の重要な用途）水を分割するために1972年以来報告されています[5]。研究者たちは、TiO ₂の応答を拡張するために取り組んできました可視光領域へのベースの複合材料と、環境汚染とエネルギー危機により適切に対処するための狭いバンドギャップ半導体を探索します[6,7,8,9,10,11,12]。

金属硫化物半導体触媒は、バンドギャップが狭く、毒性が低く、優れた触媒能力があるため、環境汚染やエネルギー危機を解決するために不可欠な担体と見なされてきました[13、14]。比較的狭いバンドギャップ（Eg =1.8 eV）、独自の光学特性、MoS ₂の層状構造ナノシートはますます注目を集めています[15、16、17、18]。 MoS ₂ TiO ₂などのいくつかの2次元（2D）材料および半導体と結合されています [19]、酸化グラフェン（GO）[20]、g-C ₃ N ₄ [21]、SnO ₂ [12]、Bi ₂ WO ₆ [22]、Bi ₂ O ₂ CO ₃ [23]、およびCdS [24]、光触媒分解および水素生成の効率を改善するため。高濃度のメチルオレンジ（MO）（30 mg / L）有機汚染物質は、MoS ₂による可視光照射下で60分で分解される可能性があることが証明されています。 / CdSナノコンポジット[24]。

2011年の最初のレポート以来、MXenesは、2次元マテリアルファミリーのメンバーとして、研究者の大きな注目を集めています[25、26、27]。 MXeneは、A層をHFまたはHCl / LiFでエッチングすることにより、MAX相から調製できます。これは、優れた電気化学的特性、化学的安定性、および表面上の多数の親水性機能（-OH / -O）を備えています[28,29,30]。。最も人気のあるTi ₃ C ₂ MXeneは、Ti ₃を剥離することで得られます。 AlC ₂ 強酸で[31]。その卓越した導電性と2次元の層状構造は、ナトリウムイオン電池（SIB）および電気化学コンデンサーのエネルギー貯蔵材料と見なされてきました[31、32、33、34]。

Ti ₃ C ₂ 酸化された表面基が豊富なMXeneは、MXeneと半導体の間に形成されるヘテロ接合に有利に働きます[35、36、37、38]。ヘテロ接合は、光触媒と助触媒の間に強力な界面接触を確立するのに役立ちます。強力な物理的および電子的結合効果により、界面接触は、ヘテロ接合界面での光誘起キャリアの移動と分離を大幅に強化できます。これは、光触媒性能を向上させるための重要な要素です[39、40、41]。

たとえば、TiO ₂ / Ti ₃ C ₂ およびTi ₃ C ₂ / Bi ₂ WO ₆ 複合材料は優れた光触媒CO ₂を示しました非常に効率的な電荷キャリア分離と豊富な活性化サイトに起因する還元活性[42、43]。 g-C ₃の水素製造性能 N ₄ / Ti ₃ C ₂ 光触媒は大幅に強化されており、これは優れた導電性と非常に効率的な電荷移動に起因しています[44]。 TiO ₂ / Ti ₃ C ₂ およびα-Fe₂ O ₃ / Ti ₃ C ₂ ハイブリッドは、ヘテロ接合を構築することにより、紫外線および可視光下での有機汚染物質の光触媒分解効率を促進することが証明されています[45,46,47]。

ここで、RスキームTi ₃の2D / 2Dヘテロ接合 C ₂ MXene / MoS ₂ 光触媒は水熱合成法で合成されます。 Ti ₃の光触媒活性 C ₂ MXene / MoS ₂ 複合材料は、可視光照射下でのMOの光触媒分解と水素発生反応（HER）によって評価されます。光触媒性能は、MoS ₂ Ti ₃と組み合わせる C ₂ MXeneはより高い分解能力とH ₂を示します純粋なMoS ₂よりも生産率同じ条件で。比表面積の拡大と光吸収能力の向上は、MoS ₂の形態に起因する可能性があります。ナノシートはしゃがみから伸びに変化します。これはTi ₃によって引き起こされます。 C ₂ MXene。とりわけ、MoS ₂間の強い相互作用およびTi ₃ C ₂ MXeneは、2D / 2Dヘテロ接合を構築するのに役立ちます。これにより、空孔からの光電子の分離と移動が効果的に促進され、光触媒活性が大幅に向上します。

メソッド/実験セクション

光触媒の準備

原材料

Ti ₃ AlC ₂ MAX粉末（純度> 98 wt％）、フッ化水素酸、モリブデン酸アンモニウム（（NH ₄ ）₆ Mo ₇ O ₂₄ •4H ₂ O）、チオ尿素（（NH ₂ ）₂ CS）とメチレンオレンジはそれぞれShanghai Yuehuan Co.、Ltd。（上海、中国）とGuoyao Chemical Co.、Ltd。（中国）が購入しています。

Ti ₃の合成 C ₂ ナノシート

Ti ₃ AlC ₂ 黒色火薬を49％HF溶液で、室温で26時間撹拌してAl層を除去することによりエッチングします。廃棄された粉末は、pHが7に達するまで7〜8回遠心分離して脱イオン水で洗浄されます。Ti₃の懸濁液 C ₂ を6時間超音波処理した後、10,000rpmで20分間遠心分離します[48]。最後に、溶液を乾燥させて、最終生成物Ti ₃を得る。 C ₂ MXeneナノシート。

Ti ₃の熱水による準備 C ₂ MXene / MoS ₂ （TMと表記）コンポジット

まず、1.1 gのモリブデン酸アンモニウム（（NH ₄ ）₆ Mo ₇ O ₂₄ •4H ₂ O）および2.2 gのチオ尿素（（NH ₂ ）₂ CS）を60分間激しく攪拌しながら脱イオン水に溶解し、均一な溶液を形成します。これは溶液Aと表示されます。次に、ある量のTi ₃ C ₂ ナノシートを20mlの脱イオン（DI）水に30分間攪拌した後、さらに40分間超音波処理し、溶液Bと表示します。次にBをAに混合し、超音波処理を30分間行います。混合溶液を100mLのテフロンで裏打ちされたオートクレーブに移し、180°Cで7時間保持します。得られた黒色触媒を室温まで冷却した後、脱イオン水で３回洗浄して分散剤を除去し、次に真空オーブン内で７０℃で１０時間乾燥させる。 Ti ₃を追加する C ₂ 溶液、Ti ₃の質量比 C ₂ MXeneからMoS ₂ は、それぞれ0、0.1％、0.3％、0.5％、1.0％、2.0 wt％に設定されています。準備されたサンプルには、それぞれTM0、TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1、およびTM2のラベルが付けられています。

メチレンオレンジの光触媒分解

すべての分解実験は、100mLビーカー内で絶えず攪拌しながら実施されます。サンプルの光触媒活性を評価するためにメチルオレンジが選択されています。 MOの光触媒分解試験は、400Wのメタルハライドランプを使用して実施されます。 MO分解の典型的な実験では、50mgのTi ₃ C ₂ / MoS ₂ サンプルを50mLのMO水溶液（20/30/50 mg / L）に分散させます。次に、触媒を含む溶液を強力なマグネチックスターラーで60分間暗所に置き、吸着平衡を確立します。サンプルは、ライトをオンにする前に1分間超音波で処理されます。これにより、触媒が溶液中に十分に分散します。特定の時間間隔で、8000 rpm ^-1 で4分間の遠心分離処理により、約3.5mLの混合溶液が抽出されます。固体触媒粉末を除去します。 464 nmの波長での変化は、MO溶液の濃度によって決定されます。これは、UV-可視分光光度計を使用して測定されます。 MO溶液の初期濃度はC ₀と表示されます、およびC _t それぞれ、特定の時間におけるMO溶液の濃度を指します。サンプルの分解効率は、相対吸光度C _tに反映されます。 / C ₀ 。

光触媒水素製造評価

光触媒H ₂ 進化試験は、50mLの石英フラスコ内で周囲温度と大気圧下で実施されます。 5ミリグラムのTMサンプルを、0.35 M Na ₂を含む70mL水溶液に分散させます。 Sおよび0.25MNa ₂ SO ₃ 、および420nmカットオフフィルターを備えた300WXeランプで照射されます。照射前にガス（N ₂ ）酸素を除去するために35分間継続的に通過させます。 H ₂の生産 TCD検出器を備えたガスクロマトグラフィー（Agilent 7890）で検出されます。

微細構造の特性評価

Ti ₃の位相分析 C ₂ / MoS ₂ サンプルは、X線回折計（XRD、CuKα、Bruker D8 Advance、ドイツ）によって40kVおよび40mAで操作されます。複合材料の微細形態は、エネルギー分散型分光法（EDS）と組み合わせた電界放出型走査電子顕微鏡（FESEM、Zeiss Ultra Plus、Zeiss、ドイツ）によって観察されます。高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM、JEM-2100F、日本の電子機器、中国）を使用して、MoS ₂間の形態とヘテロ接合界面を観察します。およびTi ₃ C ₂ 。赤外スペクトルは、フーリエ変換赤外分光法（FTIR、Nexus、Therno Nicolet、USA）によって400〜4000 cm ^-1 の範囲で記録されます。。粉末の光学特性は、積分球を備えたUV-Vis拡散反射分光器（DRS、Lambda 750S、PerkinElmer、USA）によって実行されます。得られた触媒の化学的状態は、X線光電子分光法（XPS、ESCALAB 250Xi、Thermo Fisher Scientific、中国）によって研究されています。

電気化学的測定

電気化学試験は、1030 ACHI電気化学ステーションによって測定されます。典型的な実験では、5mgのTMサンプルと110μLの5wt％ナフィオン溶液を2.5 mLの1：4 v / vエタノールと水に9分間超音波処理して分散させ、均一な懸濁液を形成します。続いて、5μLのインクをグラッシーカーボン電極（GCE）の表面に滴下します。電気化学インピーダンス分光法（EIS）テストは、同じ構成で過電圧 n で実行されます。 =0.1〜105kHzで200mV、AC電圧は5mV。

結果と考察

Ti ₃の結晶 AlC ₂ およびTi ₃ C ₂ MXeneは2 θの範囲で分析されます =5 − 70°、図S1に示すように。 Ti ₃の顕著な回折ピーク AlC ₂ 2 θにあります =39°が消え、Ti ₃のピーク C ₂ MXene2 θ =9.7°はより低い角度にシフトし、Ti ₃ AlC ₂ Ti ₃に変換されました C ₂ 成功しました[42]。図1は、さまざまなTi ₃を使用したTMサンプルのXRDパターンを示しています。 C ₂ TM0サンプルの添加と主な回折ピークは純粋なMoS ₂にインデックス付けされています格子定数 a = 3.16および c = それぞれ12.294Å（JCPDS番号37-1492）[15]。 Ti ₃と組み合わせた後 C ₂ 、TM複合材料の（002）、（100）、および（103）面の主な回折ピークは、TM0よりも広く、強度が低下していることを示しており、MoS ₂ Ti ₃によって抑制されます C ₂ 成長制限効果[49]。 Ti ₃の明らかな回折ピークはありません C ₂ MXeneを検出できます。これは、Ti ₃が低いためです。 C ₂ 複合材料に十分に分散した負荷。

Ti ₃の形態画像 C ₂ / MoS ₂ さまざまなTi ₃との複合 C ₂ 量は図2で観察されます。これは、すべてのサンプルが、表面でランダムに分離された穴を持つ花のようなナノスフェアの特徴を示していることを示しています。また、TM複合材料の花のような構造は、平均厚さが約15nmの不規則なナノシートで構成されています。

図2aは、直径が約200〜400nmのTM0の典型的な微視的構造を示しています。図2b-fは、TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1、およびTM2のFESEM画像を示しています。すべてのサンプルが、純粋なMoS ₂と同様の形態の羽毛を共有していることがわかります。。レイヤードTi ₃ C ₂ MXeneの表面は滑らかで、花のようなMoS ₂ ラメラの端でのミクロスフェアの濃縮。これは、Ti ₃の構造を示しています。 C ₂ MXeneは水熱合成中に破壊されません。図S2aは、（2D）MoS ₂間の密接な結合を伴う2D / 2Dヘテロ接合を示しています。および（2D）Ti ₃ C ₂ 。対応するEDSマッピング画像が図S2b-eで取得されています。これは、Mo、Ti、およびC元素がTM複合材料に均一に分散していることを反映しています。

図3aに示すように、TM複合材料の光吸収特性はUV-VisDRSスペクトルによって分析されます。 TM0.5は、TM0とは対照的に、可視光線と紫外線の範囲で最も強い光吸収能力を備えています。ある範囲では、TM複合材料の光吸収強度がTi ₃の増加に伴って大幅に向上することに注意してください。 C ₂ コンテンツ。特に、過剰なTi ₃ C ₂ TMサンプルの光触媒性能を低下させます。これは、過剰なTi ₃が原因であると考えられます。 C ₂ 添加により、MoS ₂の光吸収が防止されますナノシート[50]。

図3bは、N ₂を示しています。 TM0およびTM0.5サンプルの吸脱着等温線とそれらの細孔径分布曲線（図3b挿入図）。両方のサンプルは、テスト前に100°Cで4時間処理されます。 TM0とTM0.5の平均細孔径は24.9と29.1nmです。 TM0およびTM0.5サンプルのBrunauer-Emmett-Teller表面積は、8.51および10.2 m ² です。 g ^-1 それぞれ、TM0.5の比表面積が大きく、N ₂が大きいことを示しています。 TM0サンプルよりも吸着能力。

図3cに示すように、光生成された正孔と電子の分離効率は、過渡光電流応答（I-t曲線）によって確認されます。 TM0.5サンプルは、MoS ₂の伝導帯からの光電子の効果的な移動に起因するTM0よりも高い光電流強度を示します。 Ti ₃へ C ₂ ナノシート。図3dに示すように、TMサンプルの電荷キャリアの再結合/移動挙動は、電気化学的インピーダンススペクトル（EIS）によって調査されます。これらのサンプルの中で、Nynquist曲線の最大および最小のアークサイズは、それぞれTM0およびTM0.5光触媒によって表示され、Ti ₃の高い導電率を示しています。 C ₂ MXeneは電子の移動に有益です。ただし、TM2サンプルではアークの半径が大きくなっていることがわかります（図S4）。これは、Ti ₃が高すぎることを示しています。 C ₂ 負荷は、キャリア伝達インピーダンスの増加につながります。明らかに、I-tとEISの結果がよく一致していることから、Ti ₃の含有量が確認されています。 C ₂ 光生成キャリアの転送に影響を与える可能性があります。

図S5は、TM0およびTM0.5サンプルのFT-IRスペクトルを示しています。 600、910、1100、および1630 cm ^-1 の吸収帯は、それぞれMo-S、S-S、Mo-O、および-OHストレッチングに対応しています[51]。約3350cm ^-1 のバンド -CH ₂に接続されています地表水伸縮振動からのグループ[52]。 TM0サンプルと比較すると、TM0.5サンプルのすべてのピークはわずかなシフトを示しており、MoS ₂間に強い相互作用が生じていることを示しています。およびTi ₃ C ₂ ナノシート。

TM0およびTM0.5複合材料のHRTEM画像は、図4a、bでさらに観察されます。全体として、MoS ₂の重複の程度 MoS ₂のナノシートと凝集ミクロスフェアはTi ₃とともに減少します C ₂ 加えて増加しています。詳細には、純粋なMoS ₂の場合ナノシート、MoS ₂のオーバーラップ図4aに示すように、可視光の吸収には有益ではないことに気付くことができます。 Ti ₃の増加に伴い C ₂ さらに、MoS ₂の形態しゃがみ状態から伸展状態に徐々に変化し（図4b）、比表面積が拡大し、活性部位が増加する可能性があります。極薄層状Ti ₃ C ₂ ナノシートは溶液中によく分散しており、MoS ₂と密接に接触しています。。これは、MoS ₂を促進するのに有利です。ナノシートは、光触媒プロセスにおける電子移動において重要な役割を果たす強力な物理的結合を介して伸びます。一方、Ti ₃として C ₂ 含有量はさらに1および2wt％に増加し、多数のMoS ₂ Ti ₃上でランダムに重なり合って凝集するナノシート C ₂ 図S6a、bに示すように基板。

図4cは、TM0.5のヘテロ接合構造を示しています。 0.23と0.62nmの格子間隔は、Ti ₃の（103）結晶面に割り当てられます。 C ₂ （110）MoS ₂の結晶面、それぞれ[24、47]。密接に接触するヘテロ接合は、ヘテロ接合界面での光生成キャリアと正孔の移動と分離を促進します[43]。 TMサンプルのヘテロ接合構造の詳細は、図S6c、dで確認できます。 TM0.5の走査型透過電子顕微鏡（STEM）を図4dに示し、Mo、S、C、Ti、およびFの対応するEDSマッピングを図4e-iに示します。 C、Ti、Mo、およびS元素の原子比（図S3）は、それぞれ62.68、3.79、10.56、および22.97％です。花のようなMoS ₂の明確な輪郭極薄Ti ₃にグラフト化 C ₂ ナノシートは、Ti ₃ C ₂ MoS ₂と組み合わせたナノシート親密なヘテロ接合をうまく構築する。 SEMおよびTEM画像のすべての証拠は、TM複合材料が正常に合成されたことを示しています。

Ti ₃の共存をさらに確認するため C ₂ およびMoS ₂ 複合材料では、図5に示すように、TM0.5サンプルの表面化学組成と状態を分析するためにXPSが使用されます。すべての元素（Mo、S、Ti、O、C）がXPS調査スペクトルで観察されます。特徴的なピーク36.4、160.6、226.8、283.6、および529.7 eVは、それぞれTi 3p、S 2p、Mo 3d、C 1 s、およびO 1sとしてインデックス付けされます[19]。図5bでは、223.86、226.69、および229.99eVの結合エネルギーの3つのピークがS2 s、Mo 3d _5/2に割り当てられています。、およびMo 3d _3/2 、それぞれ、Mo ³⁺ の存在を明らかにします TMハイブリッドで。図5cに示すように、S 2pに従って、159.53と160.72eVに2つのピークがあります。 C1のピークはTi ₃に属します C ₂ 図5dに示すように、282.38および283.57eVの結合エネルギーで現れます。

図6a、bは、可視光照射下でのさまざまなTMサンプルでのMOの分解に対する光触媒活性を示しています。ブランク実験は、図6aに示すように、触媒の非存在下で90分反応以内にMO溶液に明らかな変化がないことを証明しています。 MO分子は化学的に安定しており、分解しにくいことが証明されています。吸着効果は、混合物を暗所で1時間撹拌することにより、光触媒分解の前に排除されます。暗所で60分間処理した後、MOの37〜51％がさまざまなTM複合材料に吸着されます。すべてのサンプルは強力な物理吸着能力を示し、TM0.5サンプルは比表面積が増加しているため、他のサンプルよりも優れた吸着能力を示します。吸着後、平衡MO濃度を初期濃度として、その後の光触媒分解実験を行います。

明らかに、すべてのTM複合材料は、元のMoS ₂よりも高い光分解能力を示します。可視光照射下で、少量のTi ₃ C ₂ MXeneの添加により、MoS ₂の光触媒活性を高めることができます。。 MXeneの添加量を0から0.5wt％に増やすと、MOの全体的な劣化が劇的に増加します。最高の光触媒性能はTM0.5サンプルによって得られ、97.4％MO溶液は30分以内に分解されます。 Ti ₃をさらに増やすことによって C ₂ 2 wt％に加えて、TM複合触媒の分解能力が低下します。この現象は、Ti ₃が多すぎることが原因である可能性があります。 C ₂ MoS ₂による可視光の吸収を妨げますナノシート、光触媒活性を低下させる[53]。異なるTiO ₂の比較可視光照射下でのMOの光触媒分解のためのベースの複合材料を表S1に示します。

さらに、MOの分解速度論は、疑似一次反応速度論（ln（C ₀ / C _t ））=kt、ここで k 図6bに示すように、は見かけの一次速度定数です。 TM0、TM0.1、TM0.3、TM0.5、TM1、およびTM2の反応速度定数は、0.00135、0.00308、0.00454、0.00836、0.00401、および0.0028 min ^{-1 > 、それぞれ。 k の最適値 TM0の約6.2倍のTM0.5サンプルに属しています。}

さまざまなMO濃度でのTM0.5複合材料の光触媒活性を調べるために、20、30、および50 mg / LのMO溶液の分解を図S7aに示します。一般に、TM0.5サンプルの分解効率は、MO溶液の濃度が高くなるにつれて低下します。お気づきのように、低濃度のMO溶液の> 90％は25分以内に分解されます。図S7b、cは、それぞれ30および50 mg / LのMO溶液の紫外線吸収スペクトルの変化を示しています。 TM0.5の光分解効果により、554nmでのMO溶液の強い吸収ピークは徐々に減少します。さらに、TM0.5サンプルは、125分でMO（50 mg / L）を分解する強力な分解能力（約80％）も示します。上記の結果は、TM光触媒が高濃度の有機汚染物質の分解の可能性を秘めていることを証明しています。

光触媒の安定性は、同じ条件下で3回繰り返すことによってテストされます。高速遠心処理による混合溶液からのTM0.5の分離。 TMサンプルの安定性は図7aに示されています。TM0.5サンプルの光触媒活性は、光分解プロセスを3回リサイクルしても大幅に低下することはなく、光触媒が優れた安定性と持続可能性を備えていることを示しています[54]。光触媒の構造安定性は、図S8に示すように、使用前後のXRDを比較することで得られます。

光触媒分解の潜在的なメカニズムは、トラッピング実験によって得られます。光生成された穴（h ⁺ ）およびヒドロキシルラジカル（•OH）は、光触媒分解プロセスで重要な役割を果たします[21]。トリエタノールアミン（EDTA）とt-ブタノールがスカベンジャーとして導入され、アクティブホールをクエンチします（h ⁺ ）および可視光照射下のヒドロキシルラジカル（•OH）。図7bに示すように、TM0.5複合材料は、スカベンジャーを追加しない場合に最高の光触媒活性を示します。 EDTAまたはt-ブタノールの存在下では、MOの分解が著しく抑制され、光生成された正孔とヒドロキシルラジカルがすべて光触媒反応に関与していることが示唆されます。 EDTAを添加した後、MOの分解は大幅に減少し（40％未満）、ホールが分解反応で重要な役割を果たしていることを示しています。したがって、光触媒分解の主な活性種は、光生成された正孔（h ⁺ ）です。）、続いてヒドロキシルラジカル（•OH）。

RスキームTi ₃の2D / 2Dヘテロ接合 C ₂ MXene / MoS ₂ MoS ₂の伝導帯からの電子の移動と凝集に有益です。 Ti ₃の活性部位へ C ₂ 、したがって、光触媒水素発生プロセスを加速します。図8aは、H ₂の比較を示しています。可視光照射下でのさまざまなTMサンプルによる生産活動。純粋なMoS ₂ （TM0）サンプルは、光触媒水素生成率が低いことを示しています（65.4μmolh^-1 g ^-1 ）光キャリアの急速な再結合による。光触媒H ₂の割合 Ti ₃と結合すると、生産量が大幅に増加します。 C ₂ ナノシート、2D Ti ₃の電子受容体を示します C ₂ MXeneは、電子移動度を効果的に高めることができます。 Ti ₃の最適な負荷 C ₂ Ti ₃で C ₂ MXene / MoS ₂ 複合材料は、H ₂に従って、0.5 wt％です。 380.2μmolh^-1 の生産率 g ^-1 。ただし、水素生成率はTi ₃とともに増加します。 C ₂ 0.5 wt％まで負荷をかけ、その後、より高いTi ₃で減少します。 C ₂ 読み込み中。 TM1およびTM2サンプルの水素生成率は324.7および266.3μmolh^-1 です。 g ^-1 、それぞれ。より高いTi ₃での水素発生速度の低下 C ₂ 負荷は、過剰なTi ₃として説明できます。 C ₂ MXeneシールドMoS ₂ 可視光から。

さらに、TM0.5光触媒の回収率は、周期的光触媒水素製造試験によってさらに分析されます。図8bに示すように、H ₂ 照射下で5時間の間欠反応を伴う6サイクル後も生産は安定したままであり、これはTi ₃ C ₂ / MoS ₂ 複合材料は強力な安定性を備えています。

RスキームTi ₃の2D / 2Dヘテロ接合を介した光触媒反応の考えられるメカニズム C ₂ MXene / MoS ₂ 図9aに示すことができます。光誘起電子はMoS ₂のVBから発生します可視光照射下で対応するCBに移します。光電子は、MoS ₂の伝導帯（CB）からすばやく移動できます。 Ti ₃へ C ₂ E _Fの活性が高いため、近接ヘテロ接合による Ti ₃の C ₂ MoS ₂のCBポテンシャルよりも [55]。典型的な劣化プロセスでは、Ti ₃の表面に多数の電子が蓄積します。 C ₂ MXeneは酸素と反応しました（O ₂ ）スーパーオキシドラジカルを生成する（•O ₂ ⁻ ）。一方、ヒドロキシルイオン（OH ^- ）および触媒表面に吸着された水は、光生成された正孔と反応してヒドロキシルラジカル（•OH）を生成しました[46]。

光触媒H ₂のステップ進化反応は式（1）で表されます。（1）-（3）Ti ₃のアクティブな儀式について C ₂ ：

$$ {\ mathrm {H}} _ 3 {\ mathrm {O}} ^ {+} + {\ mathrm {e}} ^ {-} + \ ast \ to \ mathrm {H} \ ast + {\ mathrm { H}} _ 2 \ mathrm {O} $$（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）

活性部位は、HERプロセスでは*で表すことができます。 Ti ₃の表面終端 C ₂ MXeneはH ₃を吸収します O ⁺ イオンと電子がH原子を形成します。これは、式（1）に示すようにボルマー反応と呼ばれます。（1）。 H原子はTi ₃からの電子と結合します C ₂ および別のH ₃ O ⁺ 水素分子を形成します。これは、式（1）に示すように、ヘイロフスキーメカニズムとして知られています。（2）。 H ₂ 分子は、活性部位上の2つのH原子によって形成されます。これは、式（1）に示すように、ターフェルメカニズムと呼ばれます。（3）[44]。

TMサンプルの2D / 2Dヘテロ接合を図9bに示します。光生成された電子は、MoS ₂から急速に移動する可能性があります Ti ₃の表面に C ₂ 2D / 2Dヘテロ接合の電子伝達チャネルによるナノシート。 2D Ti ₃の優れた電子伝導性 C ₂ 効果的に分離時間を延長し、光生成された電子正孔対の再結合を減らすことができます[56]。したがって、光触媒活性は明らかに向上します。

結論

要約すると、RスキームTi ₃の2D / 2Dヘテロ接合 C ₂ MXene / MoS ₂ 複合材料は水熱法によって首尾よく合成されます。 Ti ₃ C ₂ MXene / MoS ₂ 光触媒は、MOとH ₂の分解に対して著しく増強された光触媒活性を示します自然のままのMoS ₂と比較した進化反応。 0.5 wt％Ti ₃ C ₂ MXene / MoS ₂ サンプルは、30分の照射と380.2μmolh^-1 の水素発生率の後に97.4％の最適なMO劣化に達します。 g ^-1 可視光照射下。形態および構造分析により、MoS ₂ ナノシートは極薄のTi ₃によって誘導されます C ₂ MXeneはしゃがみから伸びまで、比表面積を大幅に増やし、光吸収能力を高めることができます。さらに重要なのは、Ti ₃ C ₂ MXeneとMoS ₂の組み合わせナノシートは、励起された半導体から電子を効果的に受け取り、転送することができます。これは、電荷の再結合を抑制し、界面の電荷移動プロセスを改善するのに役立ちます。この作業では、RスキームTi ₃の構築された新規2D / 2Dヘテロ接合 C ₂ MXene / MoS ₂ Ti ₃ C ₂ MXeneは、光触媒反応において有望な助触媒になる可能性があります。