2차원(2D) 재료와 반도체의 결합은 환경오염과 에너지 위기를 해결하기 위한 광촉매 제조에 효과적인 방법으로 여겨진다. 이 작업에서 R-scheme Ti3의 새로운 2D/2D 이종접합 C2 MXene/MoS2 나노 시트는 열수 반응에 의해 성공적으로 합성됩니다. Ti3의 광촉매 활성 C2 MXene/MoS2 복합 재료는 광촉매 분해 및 수소 발생 반응에 의해 평가됩니다. 특히, 0.5 wt% Ti3 C2 MXene/MoS2 샘플은 최적의 메틸 오렌지(MO) 분해 및 H2를 나타냅니다. 97.4%의 진화율과 H2 380.2 μmol h −1 의 진화 속도 g −1 , 각각 향상된 광 흡수 능력과 증가된 비표면적에 기인합니다. 또한 Ti3 C2 MoS2와 결합된 MXene 나노시트는 광전류 응답을 개선하고 전기화학적 임피던스를 감소시켜 여기된 반도체의 전자 전달을 향상시키고 전하 재결합을 억제하는 데 유리합니다. 이 작업은 Ti3 C2 MXene은 광촉매 분해 및 수소 발생 반응에서 2D/2D 이종 접합을 구성하는 유망한 캐리어가 될 수 있습니다.
지난 몇 년 동안 산업 과학 기술은 크게 발전하는 반면 환경 문제와 에너지 위기는 훨씬 더 심각해졌습니다[1,2,3,4]. 산화티타늄(TiO2)의 중요한 적용 ) 1972년부터 물을 분해하는 것으로 보고되었습니다[5]. 연구원들은 TiO2의 반응을 확장하기 위해 노력하고 있습니다. -기반 복합재료를 가시광선 영역에 적용하고 좁은 밴드갭 반도체를 탐색하여 환경 오염 및 에너지 위기에 더 잘 대처합니다[6,7,8,9,10,11,12].
금속 황화물 반도체 촉매는 밴드갭이 좁고 독성이 낮고 촉매 능력이 우수하여 환경 오염과 에너지 위기를 해결하기 위한 필수 운반체로 여겨져 왔다[13, 14]. 상대적으로 좁은 밴드갭(Eg =1.8 eV), 독특한 광학 특성 및 MoS2의 계층 구조 나노시트는 점점 더 많은 관심을 끌고 있습니다[15,16,17,18]. 모스2 TiO2와 같은 여러 2차원(2D) 재료 및 반도체와 결합되었습니다. [19], 산화 그래핀(GO) [20], g-C3 N4 [21], SnO2 [12], Bi2 WO6 [22], Bi2 O2 CO3 광촉매 분해 및 수소 생산 효율을 개선하기 위해 [23], CdS [24]. 높은 농도의 메틸 오렌지(MO)(30 mg/L) 유기 오염물질은 MoS2에 의한 가시광선 조사에서 60분 내에 분해될 수 있음이 입증되었습니다. /CdS 나노복합체 [24].
2011년 최초 보고 이후, MXenes는 2차원 재료 계열의 일원으로서 연구자들의 광범위한 관심을 끌었다[25,26,27]. MXene은 A-층을 HF 또는 HCl/LiF로 식각하여 MAX 상에서 제조할 수 있으며, 이는 우수한 전기화학적 특성, 화학적 안정성 및 표면(-OH/-O)의 수많은 친수성 기능을 보유합니다. [28,29,30] . 가장 인기 있는 Ti3 C2 MXene은 Ti3 각질을 제거하여 얻을 수 있습니다. AlC2 강산으로 [31]. 뛰어난 전도성과 2차원 적층 구조는 나트륨 이온 배터리(SIB) 및 전기 화학 커패시터의 에너지 저장 재료로 간주됩니다[31,32,33,34].
Ti3 C2 산화된 표면 그룹이 풍부한 MXene은 MXene과 반도체 사이에 형성된 이종 접합을 선호합니다[35,36,37,38]. 이종접합은 광촉매와 조촉매 사이의 강력한 계면 접촉을 설정하는 데 도움이 됩니다. 강력한 물리적 및 전자적 결합 효과로 인해 계면 접촉은 이종 접합 계면에서 광유도 캐리어의 전달 및 분리를 크게 향상시킬 수 있으며 이는 광촉매 성능을 향상시키는 핵심 요소입니다[39,40,41].
예:TiO2 /Ti3 C2 및 Ti3 C2 /Bi2 WO6 복합 재료는 우수한 광촉매 CO2를 나타냈습니다. 이것은 고효율 전하-캐리어 분리와 풍부한 활성화 부위에 기인하는 환원 활성 [42, 43]. g-C3의 수소 생산 성능 N4 /Ti3 C2 광촉매는 우수한 전기 전도성과 고효율 전하 이동에 기인하여 크게 향상되었습니다[44]. TiO2 /Ti3 C2 및 α-Fe2 O3 /Ti3 C2 하이브리드는 이종 접합을 구성하여 자외선과 가시광선에서 유기 오염 물질의 광촉매 분해 효율을 촉진하는 것으로 입증되었습니다[45,46,47].
여기서, R-scheme Ti3의 2D/2D 이종접합 C2 MXene/MoS2 광촉매는 열수법으로 합성된다. Ti3의 광촉매 활성 C2 MXene/MoS2 복합 재료는 가시광선 조사 하에서 MO의 광촉매 분해 및 수소 발생 반응(HER)에 의해 평가됩니다. 광촉매 성능은 MoS2를 반영합니다. Ti3와 결합 C2 MXene은 더 높은 분해 능력과 H2를 나타냅니다. 순수 MoS보다 생산 속도2 같은 조건에서. 확대된 비표면적 및 향상된 광 흡수 능력은 MoS2의 형태에 기인할 수 있습니다. 나노시트는 Ti3에 의해 유도된 웅크리기에서 늘어남으로 바뀝니다. C2 MXene. 무엇보다 MoS2 간의 강력한 상호 작용 및 Ti3 C2 MXene은 2D/2D 이종접합을 구성하는 데 유용하며, 이는 공극에서 광전자의 분리 및 이동을 효과적으로 촉진하여 광촉매 활성을 크게 향상시킵니다.
Ti3 AlC2 MAX 분말(> 98 wt% 순도), 불화수소산, 암모늄 몰리브데이트((NH4 )6 월7 O24 •4H2 O), 티오우레아((NH2 )2 CS) 및 메틸렌 오렌지는 Shanghai Yuehuan Co., Ltd.(중국 상하이) 및 Guoyao Chemical Co., Ltd.(중국)에서 각각 구매합니다.
Ti3 AlC2 흑색 분말은 Al 층을 제거하기 위해 26시간 동안 교반을 통해 실온에서 49% HF 용액에서 에칭된다. 폐기된 분말은 pH가 7에 도달할 때까지 원심분리를 통해 7~8회 탈이온수로 세척됩니다. Ti3의 현탁액 C2 6 시간 동안 초음파 처리한 다음 10,000 rpm에서 20분 동안 원심분리합니다[48]. 마지막으로, 용액을 건조시켜 최종 생성물 Ti3를 얻습니다. C2 MXene 나노시트.
첫째, 1.1 g의 암모늄 몰리브데이트((NH4 )6 월7 O24 •4H2 O) 및 2.2 g의 티오우레아((NH2 )2 CS)를 60분 동안 격렬하게 교반하면서 탈이온수에 용해시켜 균질한 용액을 형성하고 이를 용액 A로 표시합니다. 그런 다음, 일정량의 Ti3 C2 나노시트를 20 ml 탈이온수(DI)에 30분 동안 교반한 다음 추가로 40분 동안 초음파 처리하여 용액 B로 표시합니다. 그런 다음 B를 30분 동안 초음파 처리하에 한 방울씩 A에 혼합합니다. 혼합 용액을 100 mL 테플론이 있는 오토클레이브에 옮기고 7 시간 동안 180 °C에서 유지합니다. 상온으로 냉각한 후 얻어진 흑색 촉매를 탈이온수로 3회 세척하여 분산제를 제거한 후 진공오븐에서 70 °C에서 10 시간 동안 건조시킨다. Ti3를 추가하여 C2 용액, Ti3의 질량비 C2 MXene에서 MoS2로 는 각각 0, 0.1%, 0.3%, 0.5%, 1.0% 및 2.0 wt%로 설정됩니다. 준비된 샘플은 각각 TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1 및 TM2로 표시됩니다.
모든 분해 실험은 일정한 교반과 함께 100 mL 비이커에서 수행됩니다. 메틸 오렌지는 샘플의 광촉매 활성을 평가하기 위해 선택됩니다. MO의 광촉매 분해 시험은 400 W 메탈 할라이드 램프를 사용하여 수행됩니다. MO 분해의 일반적인 실험에서 50 mg의 Ti3 C2 /MoS2 샘플을 50 mL MO 수용액(20/30/50 mg/L)에 분산시킵니다. 그런 다음 촉매가 있는 용액을 강한 자기 교반 하에 60분 동안 암실에 두어 흡착 평형을 확립합니다. 샘플을 1 분 동안 초음파 처리한 후 조명을 켜면 촉매가 용액에 잘 분산됩니다. 일정한 시간 간격으로 약 3.5 mL의 혼합 용액을 8000rpm에서 4분 동안 원심분리 처리하여 추출 −1 고체 촉매 분말을 제거합니다. 464 nm 파장에서의 변화는 MO 용액의 농도에 의해 결정되며, UV-visible spectrophotometer를 사용하여 측정됩니다. MO 용액의 초기 농도는 C0으로 표시됩니다. , 및 Ct 특정 시간에 MO 용액의 농도를 각각 나타냅니다. 시료의 분해 효율은 상대 흡광도 Ct에 의해 반영됩니다. /C0 .
광촉매 H2 진화 테스트는 주변 온도 및 대기압에서 50 mL 석영 플라스크에서 수행됩니다. 5mg의 TM 샘플을 0.35 M Na2를 포함하는 70 mL 수용액에 분산시킵니다. S 및 0.25 M Na2 그래서3 , 420 nm 차단 필터가 장착된 300 W Xe 램프로 조사합니다. 조사 전, 가스(N2 )를 35분 동안 연속적으로 통과시켜 산소를 제거합니다. H2 제작 TCD 검출기가 장착된 가스 크로마토그래피(Agilent 7890)로 검출됩니다.
Ti3의 위상 분석 C2 /MoS2 샘플은 X선 회절계(XRD, Cu Kα, Bruker D8 Advance, 독일)에 의해 40 kV 및 40 mA에서 작동됩니다. 복합 재료의 미세 형태는 에너지 분산 분광법(EDS)과 결합된 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, Zeiss Ultra Plus, Zeiss, Germany)에 의해 관찰됩니다. 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM, JEM-2100F, 일본 전자, 중국)은 MoS2 사이의 형태 및 이종 접합 계면을 관찰하는 데 사용됩니다. 및 Ti3 C2 . 적외선 스펙트럼은 400 ~ 4000 cm −1 범위에서 푸리에 변환 적외선 분광기(FTIR, Nexus, Therno Nicolet, USA)에 의해 기록됩니다. . 분말의 광학적 특성은 통합된 구체가 있는 UV-Vis 확산 반사 분광기(DRS, Lambda 750S, PerkinElmer, USA)에 의해 수행됩니다. 얻어진 촉매의 화학적 상태는 X선 광전자 분광법(XPS, ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher Scientific, China)에 의해 연구됩니다.
전기화학적 테스트는 1030A CHI 전기화학적 스테이션에 의해 측정됩니다. 일반적인 실험에서 TM 시료 5 mg와 5 wt% 나피온 용액 110μL를 2.5mL의 1:4 v/v 에탄올과 물에 분산시키고 9분 동안 초음파 처리하여 균일한 현탁액을 형성합니다. 이어서, 5 μL의 잉크를 유리질 탄소 전극(GCE) 표면에 떨어뜨립니다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 테스트는 과전위 n에서 동일한 구성으로 수행됩니다. =5 mV의 AC 전압에서 0.1~105 kHz에서 200 mV.
Ti3의 결정체 AlC2 및 Ti3 C2 MXene은 2θ 범위에서 분석됩니다. =5 - 70°, 그림 S1에 표시된 대로. Ti3의 놀라운 회절 피크 AlC2 2θ에 위치 =39°가 사라지고 Ti3의 피크 C2 MXene 2θ =9.7°가 더 낮은 각도로 이동하여 Ti3 AlC2 Ti3으로 변환되었습니다. C2 성공적으로 [42]. 그림 1은 다양한 Ti3를 가진 TM 샘플의 XRD 패턴을 보여줍니다. C2 TM0 샘플의 추가 및 주요 회절 피크는 순수한 MoS2로 색인화되었습니다. 격자 상수로 a = 3.16 및 c = 각각 12.294 Å(JCPDS 번호 37-1492)[15]. Ti3와 결합한 후 C2 , TM 복합 재료의 (002), (100) 및 (103) 평면에 대한 주요 회절 피크는 TM0보다 더 넓고 감소된 강도를 나타내며, 이는 MoS2 Ti3에 의해 억제됩니다. C2 성장 제한 효과[49]. Ti3의 명백한 회절 피크 없음 C2 낮은 Ti3에 기인하는 MXene을 감지할 수 있습니다. C2 합성물에 잘 분산된 로딩
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TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1 및 TM2 합성물의 XRD 패턴
Ti3의 형태학적 이미지 C2 /MoS2 다양한 Ti3와 합성 C2 모든 샘플이 표면에 무작위로 분리된 구멍이 있는 꽃과 같은 나노구 형상을 나타냄을 보여줍니다. 그리고 TM 복합재료의 꽃과 같은 구조는 평균 두께가 약 15 nm인 불규칙한 나노시트로 구성됩니다.
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a의 FESEM 이미지 TM0, b TM0.1, c TM0.3, d TM0.5, e TM1 및 f 기술머신2
그림 2a는 직경이 약 200-400 nm인 TM0의 전형적인 현미경 구조를 보여줍니다. 그림 2b-f는 TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1 및 TM2의 FESEM 이미지를 제공합니다. 모든 샘플이 순수한 MoS2와 유사한 형태 깃털을 공유함을 알 수 있습니다. . 계층화된 Ti3 C2 MXene은 표면이 더 매끄럽고 꽃과 같은 MoS2 Ti3의 구조를 나타내는 라멜라 가장자리의 미세구 농축 C2 MXene은 열수 합성 중에 파괴되지 않습니다. 그림 S2a는 (2D) MoS2 사이의 긴밀한 결합이 있는 2D/2D 이종 접합을 보여줍니다. 및 (2D) Ti3 C2 . 해당 EDS 매핑 이미지는 그림 S2b-e에서 얻었으며 이는 Mo, Ti 및 C 요소가 TM 합성물에 균일하게 분산되어 있음을 반영합니다.
TM 복합 재료의 광 흡수 특성은 그림 3a에 나타난 바와 같이 UV-Vis DRS 스펙트럼으로 분석됩니다. TM0.5는 TM0와 극명한 대조를 이루는 가시광선과 자외선 영역에서 가장 강력한 광흡수 능력을 가지고 있습니다. 특정 범위에서 TM 복합 재료의 광 흡수 강도는 Ti3의 증가에 따라 크게 향상됨을 알 수 있습니다. C2 콘텐츠. 특히 과도한 Ti3 C2 과도한 Ti3 C2 추가로 MoS2의 빛 흡수 방지 나노시트[50].
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아 합성된 TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1 및 TM2 샘플의 UV-vis 확산 반사 스펙트럼(DRS). ㄴ N2 준비된 TM0 및 TM0.5 분말에 대한 흡착-탈착 등온선. ㄷ TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1 및 TM2의 광전류 응답. d TM0 및 TM0.5 샘플의 전기화학적 임피던스 스펙트럼
그림 3b는 N2 TM0 및 TM0.5 샘플의 흡착-탈착 등온선 및 기공 크기 분포 곡선(그림 3b 삽입). 두 샘플 모두 테스트 전에 4 시간 동안 100 °C에서 처리됩니다. TM0 및 TM0.5의 평균 기공 크기는 24.9 및 29.1 nm입니다. TM0 및 TM0.5 샘플의 Brunauer-Emmett-Teller 표면적은 8.51 및 10.2 m 2 입니다. g −1 각각 TM0.5가 더 큰 비표면적과 더 큰 N2를 가지고 있음을 시사합니다. TM0 샘플보다 흡착 능력.
광 생성된 정공과 전자의 분리 효율은 그림 3c와 같이 과도 광전류 응답(I-t 곡선)에 의해 확인됩니다. TM0.5 샘플은 TM0보다 더 높은 광전류 강도를 나타냅니다. 이는 MoS2의 전도대에서 광전자가 효과적으로 이동하기 때문입니다. Ti3까지 C2 나노시트. TM 샘플의 전하 캐리어 재결합/전달 거동은 그림 3d에 제시된 바와 같이 전기화학적 임피던스 스펙트럼(EIS)에 의해 탐색됩니다. 이 샘플 중 Nynquist 곡선의 가장 큰 아크 크기와 가장 작은 아크 크기는 각각 TM0 및 TM0.5 광촉매에 의해 표시되어 Ti3의 높은 전도도를 나타냅니다. C2 MXene은 전자 이동에 유리합니다. 그러나 호의 더 큰 반경은 TM2 샘플에서 관찰될 수 있으며(그림 S4), 이는 너무 높은 Ti3 C2 로딩은 캐리어 전달 임피던스의 증가로 이어집니다. 분명히, I-t와 EIS 결과가 잘 일치한다는 것은 Ti3의 내용이 C2 사진 생성 캐리어의 전송에 영향을 미칠 수 있습니다.
그림 S5는 TM0 및 TM0.5 샘플의 FT-IR 스펙트럼을 보여줍니다. 600, 910, 1100 및 1630 cm −1 에서의 흡수 밴드 는 각각 Mo-S, S-S, Mo-O 및 -OH 스트레칭에 해당합니다[51]. 약 3350 cm −1 의 밴드 -CH2에 첨부됩니다. 지표수 스트레칭 진동의 그룹[52]. TM0 샘플과 비교하여 TM0.5 샘플의 모든 피크는 약간의 이동을 나타내며 MoS2 사이에 강한 상호 작용이 나타남을 나타냅니다. 및 Ti3 C2 나노시트.
TM0 및 TM0.5 합성물의 HRTEM 이미지는 그림 4a, b에서 추가로 관찰됩니다. 전반적으로 MoS2의 중복 정도 MoS2용 나노시트 및 응집 Ti3에 따라 미소구체 감소 C2 추가 증가. 구체적으로 순수 MoS2의 경우 나노시트, MoS2에 대한 겹침 이는 Fig. 4a와 같이 가시광선의 흡수에 이롭지 않다는 것을 알 수 있다. Ti3의 증가와 함께 C2 또한 MoS2의 형태 점차적으로 웅크리고 있는 상태에서 스트레칭 상태로 바뀌며(그림 4b), 이는 비표면적이 확대되고 활성 부위가 증가할 수 있습니다. 초박형 적층 Ti3 C2 나노시트는 용액에 잘 분산되어 있으며 MoS2와 밀접하게 접촉합니다. . 이는 MoS2 촉진에 유리합니다. 나노시트는 강한 물리적 결합을 통해 늘어나며, 이는 광촉매 과정에서 전자 전달에 중요한 역할을 합니다. 동안 Ti3으로 C2 함량은 MoS2의 많은 수인 1 및 2 wt%로 추가 증가합니다. Ti3에서 무작위로 겹치고 뭉쳐지는 나노시트 C2 그림 S6a, b와 같이 기판
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아 , b TM0 및 TM0.5 샘플의 TEM 이미지. ㄷ Ti3의 HRTEM 이미지 C2 /MoS2 . d STEM 이미지. 이 , f , d , h , 나 TM0.5 샘플의 Mo, S, C, Ti 및 F 요소의 EDS 매핑 이미지
그림 4c는 TM0.5의 이종 접합 구조를 보여줍니다. 0.23 및 0.62 nm의 격자 간격은 Ti3의 (103) 결정면에 할당됩니다. C2 및 (110) MoS2의 결정면 , 각각 [24, 47]. 친밀한 접촉 이종 접합은 이종 접합 계면에서 광 생성 캐리어와 정공의 이동 및 분리를 촉진합니다[43]. TM 샘플의 이종 접합 구조에 대한 자세한 내용은 그림 S6c, d에서 확인할 수 있습니다. TM0.5의 주사 투과 전자 현미경(STEM)이 그림 4d에 표시되어 있고 Mo, S, C, Ti 및 F의 해당 EDS 매핑이 그림 4e-i에 나와 있습니다. C, Ti, Mo 및 S 원소의 원자 비율(그림 S3)은 각각 62.68, 3.79, 10.56 및 22.97%입니다. 꽃같은 모스의 선명한 윤곽2 초박형 Ti3에 접목 C2 나노시트는 Ti3 C2 MoS2와 결합된 나노시트 친밀한 이종 접합을 성공적으로 구성합니다. SEM 및 TEM 이미지의 모든 증거는 TM 합성물이 성공적으로 합성되었음을 나타냅니다.
Ti3의 공존을 추가로 확인하려면 C2 및 MoS2 합성물에서 XPS는 그림 5와 같이 TM0.5 샘플의 표면 화학 조성과 상태를 분석하기 위해 사용됩니다. 모든 원소(Mo, S, Ti, O, C)는 XPS 조사 스펙트럼에서 관찰됩니다. 특성 피크 36.4, 160.6, 226.8, 283.6 및 529.7 eV는 각각 Ti 3p, S 2p, Mo 3d, C 1 s 및 O 1 s로 표시됩니다[19]. 그림 5b에서 223.86, 226.69, 229.99 eV의 결합 에너지에서 세 개의 피크는 S 2 s, Mo 3d5/2에 할당됩니다. 및 Mo 3d3/2 , 각각 Mo 3+ 의 존재를 나타냅니다. TM 하이브리드에서 도 5c에 도시된 바와 같이, S2p에 따라 159.53 및 160.72 eV에 두 개의 피크가 위치한다. C 1 의 피크는 Ti3에 속합니다. C2 그림 5d와 같이 282.38 및 283.57 eV의 결합 에너지에서 나타납니다.
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아 b의 XPS 조사 스펙트럼 및 고해상도 XPS 스펙트럼 모 3d, c S 2p, d TM 샘플의 C 1 s
그림 6a, b는 가시광선 조사에서 다양한 TM 샘플에 대한 MO 분해에 대한 광촉매 활성을 나타냅니다. 블랭크 실험은 그림 6a와 같이 촉매가 없는 상태에서 90분 반응 내에서 MO 용액에 명백한 변화가 없음을 증명합니다. MO 분자는 화학적으로 안정하고 분해되기 어려운 것으로 판명되었습니다. 광촉매 분해 전에 혼합물을 암실에서 1 시간 동안 교반하여 흡착 효과를 제거합니다. 암실에서 60분 동안 처리한 후 MO의 37~51%가 다른 TM 복합재에 흡착됩니다. 모든 시료는 물리적 흡착력이 강하고 TM0.5 시료는 비표면적이 증가하여 다른 시료보다 우수한 흡착능을 보인다. 흡착 후, 초기 농도로 평형 MO 농도를 사용하여 후속 광촉매 분해 실험을 수행합니다.
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아 광촉매 성능 저하. ㄴ 해당 속도 상수 k 가시 광선 조사(30 mg/L MO 용액)에서 TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1 및 TM2 합성물의 값
분명히 모든 TM 합성물은 깨끗한 MoS보다 더 높은 광분해 능력을 나타냅니다2 가시광선 조사에서 소량의 Ti3 C2 MXene 첨가는 MoS2의 광촉매 활성을 향상시킬 수 있습니다. . MXene 첨가량이 0에서 0.5 wt%로 증가하면 MO의 총 분해가 급격히 증가합니다. 가장 높은 광촉매 성능은 TM0.5 샘플에서 얻어지며 97.4% MO 용액은 30 분 이내에 분해됩니다. Ti3를 더 늘리면 C2 2 wt%에 추가하면 TM 복합 촉매의 분해 능력이 감소합니다. 이 현상은 Ti3 C2 MoS2에 의한 가시광선 흡수 방해 나노시트, 광촉매 활성 감소 [53]. 다른 TiO2의 비교 가시광선 조사에서 MO의 광촉매 분해를 위한 기반 복합재는 표 S1에 나와 있습니다.
또한, MO의 분해 동역학은 유사 1차 동역학 이론(ln(C0 /Ct )) =kt, 여기서 k 는 그림 6b와 같이 겉보기 1차 속도 상수입니다. TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1 및 TM2에 대한 동역학 속도 상수는 0.00135, 0.00308, 0.00454, 0-00836, 0.00401 및>0.0028 , 각각. k의 최적값 TM0.5 샘플에 속하며 TM0보다 약 6.2배 높습니다.
다양한 MO 농도에서 TM0.5 복합재의 광촉매 활성을 조사하기 위해 20, 30 및 50 mg/L의 MO 용액에 대한 분해가 그림 S7a에 나와 있습니다. 일반적으로 TM0.5 샘플의 분해 효율은 MO 용액의 농도가 증가할수록 감소합니다. 알 수 있는 바와 같이, 저농도 MO 용액의> 90%는 25분 이내에 분해됩니다. 그림 S7b, c는 각각 30 및 50 mg/L MO 용액의 자외선 흡수 스펙트럼의 변화를 보여줍니다. 554 nm에서 MO 용액의 강한 흡수 피크는 TM0.5의 광분해 효과로 인해 점차 감소합니다. 또한, TM0.5 샘플은 125분 내에 MO(50 mg/L)의 분해에 대해 강력한 분해 능력(거의 80%)을 나타냅니다. 위의 결과는 TM 광촉매가 고농도 유기 오염 물질의 분해 가능성이 있음을 증명합니다.
광촉매의 안정성은 동일한 조건에서 3회 반복하여 테스트합니다. 고속 원심 처리에 의해 혼합 용액에서 TM0.5의 분리. TM 샘플의 안정성은 그림 7a에서 확인할 수 있으며, TM0.5 샘플의 광촉매 활성은 광분해 과정을 3회 반복한 후에도 크게 감소하지 않아 광촉매가 우수한 안정성과 지속 가능성을 가지고 있음을 보여줍니다[54]. 광촉매의 구조적 안정성은 그림 S8과 같이 사용 전과 사용 후의 XRD를 비교하여 구하였다.
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아 동일한 조건에서 3회 반복하여 MO의 광촉매 분해를 위한 TM0.5 샘플의 재활용 광촉매 실험. ㄴ 가시광선 하에서 MO 광분해 과정에 대한 다양한 스캐빈저의 효과
광촉매 분해의 잠재적 메커니즘은 트래핑 실험을 통해 얻을 수 있습니다. 광 생성 구멍(h + ) 및 하이드록실 라디칼(•OH)은 광촉매 분해 과정에서 중요한 역할을 합니다[21]. 트리에탄올아민(EDTA) 및 t-부탄올은 활성 정공을 소광하기 위한 스캐빈저로 도입됩니다(h + ) 및 가시광선 조사에서 각각 하이드록실 라디칼(•OH). 도 7b에 나타난 바와 같이, TM0.5 합성물은 스캐빈저를 첨가하지 않을 때 최고의 광촉매 활성을 나타낸다. EDTA 또는 t-Butanol이 존재하면 MO의 분해가 현저하게 억제되어 광촉매 반응에 광생성된 정공과 하이드록실 라디칼이 모두 참여함을 시사한다. EDTA를 첨가한 후, MO의 분해는 현저히 감소하여(40% 미만), 이는 구멍이 분해 반응에서 중요한 역할을 한다는 것을 나타냅니다. 따라서 광촉매 분해의 주요 활성 종은 광생성 정공(h + ), 히드록실 라디칼(•OH)이 뒤따릅니다.
R-scheme Ti3의 2D/2D 이종접합 C2 MXene/MoS2 MoS2의 전도대에서 전자의 이동 및 집합에 유리합니다. Ti3의 활성 사이트로 C2 , 따라서 광촉매 수소 발생 과정을 가속화합니다. 그림 8a는 H2의 비교를 나타냅니다. 가시광선 조사에서 다른 TM 샘플을 사용한 생산 활동. 순수한 MoS2 (TM0) 샘플은 광촉매 수소 생산 속도가 좋지 않음(65.4 μmol h −1 ) g −1 ) photocarrier의 빠른 재결합으로 인해. 광촉매 H2의 비율 Ti3와 결합 후 생산량이 크게 증가합니다. C2 2D Ti3의 전자 수용체를 나타내는 나노시트 C2 MXene은 전자 이동성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. Ti3의 최적 로딩 C2 Ti3에서 C2 MXene/MoS2 합성물은 H2에 따라 0.5 wt%입니다. 380.2 μmol h −1 의 생산 속도 g −1 . 그러나 Ti3와 함께 수소 생산 속도가 증가합니다. C2 최대 0.5 wt%까지 로딩한 다음 더 높은 Ti3에서 감소 C2 로딩. TM1 및 TM2 샘플의 수소 생산 속도는 324.7 및 266.3 μmol h -1 입니다. g −1 , 각각. 더 높은 Ti3에서 수소 발생 속도 감소 C2 로딩은 과도한 Ti3로 설명될 수 있습니다. C2 MXene 차폐 MoS2 가시광선에서.
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아 가시광선 조사에서 TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1 및 TM2 샘플의 광촉매 수소 발생 속도. ㄴ 물 분해 공정을 위한 TM0.5의 재활용 테스트
또한, TM0.5 광촉매의 회수율은 순환 광촉매 수소 생산 테스트에 의해 추가로 분석됩니다. 도 8b에 도시된 바와 같이, H2 생산은 조사 하에서 5 h 간헐 반응으로 6 주기 후에도 안정적으로 유지되며, 이는 Ti3 C2 /MoS2 합성물은 강한 안정성을 가지고 있습니다.
R-scheme Ti3의 2D/2D 이종 접합에 대한 광촉매 반응의 가능한 메커니즘 C2 MXene/MoS2 그림 9a에서 증명할 수 있습니다. 광유도 전자는 MoS2의 VB에서 발생합니다. 가시 광선 조사에서 해당 CB로 전송합니다. 광전자는 MoS2의 전도대(CB)에서 빠르게 이동할 수 있습니다. Ti3까지 C2 EF의 더 큰 활성으로 인한 근접 이종 접합에 의해 Ti3 C2 MoS2의 CB 잠재력보다 [55]. 일반적인 분해 과정에서 Ti3 표면에 많은 수의 전자가 축적됩니다. C2 MXene은 산소(O2 ) to produce superoxide radicals (•O2 - ). Meanwhile, the hydroxyl ions (OH − ) and water adsorbed onto the catalyst surface reacted with photogenerated holes to generate hydroxyl radicals (•OH) [46].
아 Energy level structure diagram of MoS2 및 Ti3 C2 . ㄴ Schematic illustration of photo-induced electron transfer process at the heterojunction interface
The steps of photocatalytic H2 evolution reaction are depicted by Eq. (1)-(3) on the active rites of Ti3 C2 :
$$ {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}+\ast \to \mathrm{H}\ast +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ (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)The active sites can be represented by * in HER process. The surface terminations of Ti3 C2 MXene absorb H3 O + ion and electron to form an H atom, which is called Volmer reaction, as presented in Eq. (1). The H atom combines with an electron from Ti3 C2 and another H3 O + to form a hydrogen molecule, which is known as the Heyrovsky mechanism, as depicted in Eq. (2). A H2 molecule is formed by two H atoms on the active sites, which is called the Tafel mechanism, as displayed in Eq. (3) [44].
The 2D/2D heterojunction of TM samples is illustrated in Fig. 9b. The photogenerated electrons can rapidly migrate from MoS2 to the surface of Ti3 C2 nanosheets due to the electronic transfer channel of 2D/2D heterojunction. The excellent electronic conductivity of 2D Ti3 C2 can effectively extend the separation time and reduce the recombination of photogenerated electron hole pair [56]. Therefore, the photocatalytic activity is enhanced obviously.
In summary, 2D/2D heterojunction of R-scheme Ti3 C2 MXene/MoS2 composites is successfully synthesized by hydrothermal method. The Ti3 C2 MXene/MoS2 photocatalysts display remarkably enhanced photocatalytic activity for the degradation of MO and H2 evolution reaction compared with pristine MoS2 . The 0.5 wt% Ti3 C2 MXene/MoS2 sample reaches an optimum MO degradation of 97.4% after 30 min irradiation and hydrogen evolution rate of 380.2 μmol h −1 g −1 under visible irradiation. The morphology and structure analysis confirm that MoS2 nanosheets are induced by ultrathin Ti3 C2 MXene from crouching to stretching, which may greatly increase the specific surface area and enhance the light absorption ability. More importantly, Ti3 C2 MXene coupled with MoS2 nanosheets can effectively receive and transfer electrons from excited semiconductor, which is beneficial to suppress the charge recombination and improve the interface charge transfer processes. In this work, the constructed novel 2D/2D heterojunction of R-scheme Ti3 C2 MXene/MoS2 demonstrates that Ti3 C2 MXene can become a promising cocatalyst in photocatalytic reaction.
이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 기사와 추가 정보 파일에 포함되어 있습니다.
X선 회절
나트륨 이온 배터리
수소 발생 반응
Ti3 C2 MXene/MoS2
전계 방출 주사 전자 현미경
Energy-dispersive spectrometry
고해상도 투과 전자 현미경
푸리에 변환 적외선 분광기
UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy
X선 광전자 분광법
전기화학 임피던스 분광법
주사 투과 전자 현미경
Triethanolamine
나노물질
초록 MoS2의 부피 팽창의 단점을 극복하기 위해 리튬 이온 배터리(LIB)의 양극 재료로서 계층적 다공성 MoS2를 설계하기 위한 효과적인 전략이 개발되었습니다. /탄소 나노구체는 손쉬운 작동 방식의 열수 방법을 통한 후 어닐링을 통해 생성됩니다. FESEM 및 TEM 이미지는 나노구가 초박형 MoS2로 구성되어 있음을 명확하게 보여줍니다. /C 나노시트는 탄소층으로 코팅되어 있으며 0.98nm의 확장된 층간 간격을 가지고 있습니다. LIB용 양극으로 MoS2 /카본 나노스피어는 1307.77mAh g−1의 초기 방전 용량을 제
초록 마찰전기 나노발전기(TENG)의 출력 전력은 마찰전기 물질, 특히 미세구조 및 작용기의 성능에 크게 의존합니다. 이 연구에서는 우수한 마찰 전기 능력을 목표로 층별 적층을 통해 풍부한 플루오르 그룹(-F)을 갖는 교대로 적층된 MXene 복합 필름 기반 TENG를 설계 및 제조합니다. Nb2의 양이 많을 때 균일한 고유 미세구조와 증가된 유전 상수의 이점 CTx 나노시트는 Nb2를 기반으로 하는 TENG가 15wt%로 증가합니다. CTx /Ti3 C2 Tx 복합 나노 시트 필름은 최대 출력을 달성합니다. 8.06μA/c
