R-스킴 Ti3C2 MXene/MoS2 2D/2D 헤테로접합: 광촉매 효율의 돌파구

초록

이차원(2D) 재료와 반도체 결합은 환경 오염과 에너지 위기 해결을 위한 광촉매 제작에 효과적인 방법으로 여겨집니다. 본 연구에서는 수열 반응으로 새로운 R-스킴 Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 나노시트 2D/2D 헤테로접합을 성공적으로 합성했습니다. Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 복합체의 광촉매 활성을 광촉매 분해와 수소 발생 반응으로 평가했습니다. 특히 0.5wt% Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 시료가 메틸 오렌지(MO) 분해율 97.4%와 수소 발생 속도 380.2 μmol h⁻¹ g⁻¹로 최적 성능을 보였으며, 이는 향상된 광흡수 능력과 증가된 비표면적 덕분입니다. 또한 MoS₂ 나노시트와 결합된 Ti₃C₂ MXene은 광전류 응답 향상과 전기화학적 임피던스 감소로 들뜬 반도체의 전자 전도 향상과 전하 재결합 억제를 이끌어냅니다. 본 연구는 Ti₃C₂ MXene이 광촉매 분해와 수소 발생 반응에서 2D/2D 헤테로접합 구축을 위한 유망한 담지체임을 입증합니다.

서론

지난 몇 년간 산업 과학 기술이 크게 발전했지만, 환경 문제와 에너지 위기는 더욱 심각해졌습니다[1-4]. 1972년부터 이산화 티타늄(TiO₂)의 물 분해 적용이 보고되었습니다[5]. 연구자들은 TiO₂ 기반 복합체의 가시광 영역 반응 확장과 좁은 밴드갭 반도체 탐색을 통해 환경 오염과 에너지 위기 해결에 힘써왔습니다[6-12].

금속 황화물 반도체 촉매는 좁은 밴드갭, 낮은 독성, 우수한 촉매 능력으로 환경 오염과 에너지 위기 해결에 필수적인 담지체로 여겨집니다[13, 14]. 비교적 좁은 밴드갭(Eg = 1.8eV), 독특한 광학 특성, 층상 구조를 가진 MoS₂ 나노시트가 많은 주목을 받고 있습니다[15-18]. MoS₂는 TiO₂[19], 산화 그래핀(GO)[20], g-C₃N₄[21], SnO₂[12], Bi₂WO₆[22], Bi₂O₂CO₃[23], CdS[24] 등 여러 2D 재료 및 반도체와 결합되어 광촉매 분해와 수소 생산 효율 향상에 기여했습니다. MoS₂/CdS 나노복합체가 가시광 조사 하에서 60분 내 고농도 메틸 오렌지(MO)(30mg/L) 유기 오염물질을 분해할 수 있음이 입증되었습니다[24].

2011년 최초 보고 이래 2D 재료 패밀리 일원인 MXene은 연구자들의 광범위한 주목을 받아왔습니다[25-27]. MXene은 MAX 상에서 HF 또는 HCl/LiF로 A층을 식각하여 제조되며, 우수한 전기화학적 특성, 화학적 안정성, 표면의 수많은 친수성 작용기(-OH/-O)를 가집니다[28-30]. 가장 인기 있는 Ti₃C₂ MXene은 강한 산으로 Ti₃AlC₂를 박리하여 얻을 수 있습니다[31]. 뛰어난 전도성과 2D 층상 구조로 나트륨 이온 배터리(SIBs)와 전기화학 커패시터용 에너지 저장 소재로 고려되었습니다[31-34].

풍부한 산화 표면기를 가진 Ti₃C₂ MXene은 MXene과 반도체 간 헤테로접합 형성을 촉진합니다[35-38]. 헤테로접합은 광촉매와 공동촉매 간 강한 계면 접촉 수립을 돕습니다. 강한 물리적, 전자적 결합 효과로 계면 접촉이 헤테로접합 계면에서 광유도 캐리어 전이와 분리를 크게 향상시키며, 이는 광촉매 성능 향상의 핵심 요소입니다[39-41].

예를 들어 TiO₂/Ti₃C₂와 Ti₃C₂/Bi₂WO₆ 복합체는 고효율 전하 캐리어 분리와 풍부한 활성 부위로 우수한 광촉매 CO₂ 환원 활성을 보였습니다[42, 43]. g-C₃N₄/Ti₃C₂ 광촉매의 수소 생산 성능이 우수한 전기 전도도와 고효율 전하 전이로 크게 향상되었습니다[44]. TiO₂/Ti₃C₂와 α-Fe₂O₃/Ti₃C₂ 하이브리드는 헤테로접합 구축으로 자외선과 가시광 하에서 유기 오염물질 광촉매 분해 효율을 촉진함이 입증되었습니다[45-47].

본 연구에서는 수열법으로 R-스킴 Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 광촉매 2D/2D 헤테로접합을 합성했습니다. Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 복합체의 광촉매 활성을 가시광 조사 하에서 MO 광촉매 분해와 수소 발생 반응(HER)으로 평가했습니다. 광촉매 성능은 Ti₃C₂ MXene과 결합된 MoS₂가 동일 조건에서 순수 MoS₂보다 높은 분해 능력과 수소 생산 속도를 가짐을 반영합니다. Ti₃C₂ MXene에 의해 MoS₂ 나노시트 형태가 웅크린 상태에서 펴진 상태로 변화하여 비표면적 확대와 광흡수 능력 향상에 기인합니다. 무엇보다 MoS₂와 Ti₃C₂ MXene 간 강한 상호작용이 2D/2D 헤테로접합 구축에 유리하며, 이는 공공에서 광전자 분리와 전이를 효과적으로 촉진해 광촉매 활성을 크게 향상시킵니다.

실험 방법

광촉매 제조

원료

Ti₃AlC₂ MAX 분말(>98wt% 순도), 플루오린화 수소산, 몰리브덴산 암모늄((NH₄)₆Mo₇O₂₄•4H₂O), 티오우레아((NH₂)₂CS), 메틸 오렌지는 상하이 Yuehuan Co., Ltd.(중국 상하이)와 Guoyao Chemical Co., Ltd.(중국)에서 구입했습니다.

Ti₃C₂ 나노시트 합성

Ti₃AlC₂ 검은 분말을 49% HF 용액에서 실온 교반 26시간 동안 식각하여 Al 층을 제거했습니다. 처리된 분말을 원심분리(7~8회)로 탈수수 세척하여 pH 7에 도달시켰습니다. Ti₃C₂ 현탁액을 6시간 초음파 처리 후 10,000rpm에서 20분 원심분리했습니다[48]. 마지막으로 용액을 건조하여 최종 생성물 Ti₃C₂ MXene 나노시트를 얻었습니다.

Ti₃C₂ MXene/MoS₂ (TM) 복합체 수열 제조

먼저 몰리브덴산 암모늄 1.1g과 티오우레아 2.2g을 탈수수에 60분간 격렬 교반하여 균질 용액 A를 제조했습니다. 별도로 일정량의 Ti₃C₂ 나노시트를 20ml 탈수수에 30분 교반 후 추가 40분 초음파 처리하여 용액 B를 만들었습니다. 용액 B를 초음파 처리하며 용액 A에 방울방울 떨어뜨려 30분간 혼합했습니다. 혼합 용액을 100mL 테플론 라이닝 오토클레이브에 넣고 180°C에서 7시간 유지했습니다. 실온 냉각 후 얻은 검은 촉매를 탈수수로 3회 세척해 분산제 제거 후 진공 오븐에서 70°C 10시간 건조했습니다. 첨가된 Ti₃C₂ 용량에 따라 Ti₃C₂ MXene과 MoS₂ 질량비를 0, 0.1%, 0.3%, 0.5%, 1.0%, 2.0wt%로 설정했습니다. 제조된 시료를 각각 TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1, TM2로 표기했습니다.

메틸 오렌지 광촉매 분해

모든 분해 실험은 일정한 교반 하 100mL 비커에서 수행했습니다. 메틸 오렌지를 시료 광촉매 활성 평가에 사용했습니다. MO 광촉매 분해 시험은 400W 메탈 할라이드 램프를 사용했습니다. 전형적인 MO 분해 실험에서 50mg Ti₃C₂/MoS₂ 시료를 50mL MO 수용액(20/30/50mg/L)에 분산시켰습니다. 이후 강한 자기 교반 하 암흑에서 60분간 두어 흡착 평형을 수립했습니다. 조명 전 1분간 초음파 처리해 촉매를 용액에 잘 분산시켰습니다. 일정 시간 간격으로 약 3.5mL 혼합 용액을 추출해 8000rpm⁻¹에서 4분 원심분리하여 고체 촉매 분말을 제거했습니다. 464nm 파장 변화를 UV-가시광 분광광도계로 측정해 MO 용액 농도 변화를 결정했습니다. MO 용액 초기 농도를 C₀, 특정 시간 농도를 C_t로 표기했습니다. 시료 분해 효율은 상대 흡광도 C_t/C₀로 반영했습니다.

광촉매 수소 생산 평가

광촉매 H₂ 발생 시험은 상온 상압에서 50mL 석영 플라스크에서 수행했습니다. 5mg TM 시료를 0.35M Na₂S와 0.25M Na₂SO₃ 함유 70mL 수용액에 분산시키고 420nm 차단 필터 장착 300W Xe 램프로 조사했습니다. 조사 전 질소 가스(N₂)를 35분간 지속 통과시켜 산소 제거했습니다. H₂ 생산량은 TCD 검출기 장착 가스 크로마토그래피(Agilent 7890)로 검출했습니다.

미세구조 특성 분석

Ti₃C₂/MoS₂ 시료 상 분석은 40kV, 40mA에서 X선 회절계(XRD, Cu Kα, Bruker D8 Advance, 독일)로 수행했습니다. 복합체 미세형태는 전계 방사 주사 전자 현미경(FESEM, Zeiss Ultra Plus, Zeiss, 독일)과 에너지 분산 분광법(EDS) 결합으로 관찰했습니다. 고분해능 투과 전자 현미경(HRTEM, JEM-2100F, 일본 전자, 중국)으로 MoS₂와 Ti₃C₂ 간 형태와 헤테로접합 계면을 관찰했습니다. 적외선 스펙트럼은 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR, Nexus, Therno Nicolet, USA)으로 400~4000cm⁻¹ 범위에서 기록했습니다. 분말 광학 특성은 통합 구 장착 UV-Vis 확산 반사 분광기(DRS, Lambda 750S, PerkinElmer, USA)로 수행했습니다. 얻어진 촉매 화학 상태는 X선 광전자 분광법(XPS, ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher Scientific, 중국)으로 연구했습니다.

전기화학 측정

전기화학 시험은 1030A CHI 전기화학 워크스테이션으로 측정했습니다. 전형적 실험에서 5mg TM 시료와 5wt% Nafion 용액 110μL를 에탄올:물 1:4 v/v 2.5mL에 9분 초음파 분산하여 균질 현탁액 제조. 이후 5μL 잉크를 유리탄소 전극(GCE) 표면에 떨어뜨렸습니다. 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 시험은 과전압 η=200mV에서 0.1~105kHz, AC 전압 5mV로 동일 구성에서 수행했습니다.

결과 및 논의

Ti₃AlC₂와 Ti₃C₂ MXene 결정성을 2θ=5~70° 범위에서 분석했습니다(그림 S1). Ti₃AlC₂의 2θ=39° 특징적 회절 피크가 사라지고 Ti₃C₂ MXene 피크 2θ=9.7°가 낮은 각도로 이동해 Ti₃AlC₂가 Ti₃C₂로 성공적으로 변환됨을 시사합니다[42]. 그림 1은 다양한 Ti₃C₂ 첨가량 TM 시료 XRD 패턴을 보여줍니다. TM0 시료 주요 회절 피크는 격자 상수 a=3.16, c=12.294Å(JCPDS no. 37-1492)로 순수 MoS₂로 인덱싱됩니다[15]. Ti₃C₂ 결합 후 TM 복합체 (002), (100), (103) 면 주요 회절 피크가 TM0보다 넓어지고 강도 감소해 Ti₃C₂ 성장 제한 효과로 MoS₂가 억제됨을 시사합니다[49]. Ti₃C₂ MXene 명백한 회절 피크는 검출되지 않으며, 이는 복합체 내 낮은 Ti₃C₂ 로딩과 우수한 분산 때문입니다.

R-스킴 Ti3C2 MXene/MoS2 2D/2D 헤테로접합: 광촉매 효율의 돌파구

다양한 Ti₃C₂ 양의 Ti₃C₂/MoS₂ 복합체 형태 이미지를 그림 2에서 관찰했습니다. 모든 시료가 표면에 무작위로 구멍이 분리된 꽃모양 나노구체 특징을 보입니다. TM 복합체 꽃모양 구조는 평균 두께 약 15nm 불규칙 나노시트로 구성됩니다.

그림 2a는 직경 약 200-400nm TM0 전형적 미세구조를 보여줍니다. 그림 2b-f는 TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1, TM2 FESEM 이미지입니다. 모든 시료가 순수 MoS₂와 유사한 형태 특징을 공유함을 알 수 있습니다. 층상 Ti₃C₂ MXene은 매끄러운 표면을 가지며 꽃모양 MoS₂ 마이크로구체가 박판 가장자리에 풍부해 수열 합성 중 Ti₃C₂ MXene 구조가 파괴되지 않음을 나타냅니다. 그림 S2a는 (2D) MoS₂와 (2D) Ti₃C₂ 간 친밀한 결합의 2D/2D 헤테로접합을 보여줍니다. 해당 EDS 매핑 이미지는 그림 S2b-e에 있으며, Mo, Ti, C 원소가 TM 복합체 내 균일 분포됨을 반영합니다.

TM 복합체 광흡수 특성을 UV-Vis DRS 스펙트럼으로 분석했습니다(그림 3a). TM0.5가 가시광과 자외선 영역에서 TM0와 대조적으로 가장 강한 광흡수 능력을 가집니다. 일정 범위에서 Ti₃C₂ 함량 증가로 TM 복합체 광흡수 강도가 현저히 향상됩니다. 특히 과도한 Ti₃C₂는 MoS₂ 나노시트 광흡수 방지로 TM 시료 광촉매 성능을 저하시킵니다[50].

그림 3b는 TM0과 TM0.5 시료 N₂ 흡착-탈착 등온선과 기공 크기 분포 곡선(그림 3b 삽입)입니다. 두 시료 모두 시험 전 100°C 4시간 처리되었습니다. TM0과 TM0.5 평균 기공 크기는 각각 24.9, 29.1nm입니다. TM0과 TM0.5 시료 BET 비표면적은 각각 8.51, 10.2m²g⁻¹로 TM0.5가 TM0보다 더 큰 비표면적과 N₂ 흡착 능력을 가집니다.

일시적 광전류 응답(I-t 곡선)으로 광생성 정공과 전자 분리 효율을 확인했습니다(그림 3c). TM0.5 시료가 TM0보다 높은 광전류 강도를 보이며, 이는 MoS₂ 전도대에서 Ti₃C₂ 나노시트로 광전자 효과적 이동 덕분입니다. TM 시료 전하 캐리어 재결합/전이 거동을 전기화학 임피던스 스펙트럼(EIS)으로 탐구했습니다(그림 3d). 해당 시료 중 TM0과 TM0.5 광촉매가 나이퀴스트 곡선 최대, 최소 호 크기를 각각 보이며, Ti₃C₂ MXene 높은 전도성이 전자 이동에 유리함을 나타냅니다. 그러나 TM2 시료에서 더 큰 호 반경 관찰(그림 S4)되어 과도한 Ti₃C₂ 로딩이 캐리어 전이 임피던스 증가를 초래함을 시사합니다. 분명히 I-t와 EIS 결과 일치는 Ti₃C₂ 함량이 광생성 캐리어 전이에 영향을 미침을 확인합니다.

그림 S5는 TM0과 TM0.5 시료 FT-IR 스펙트럼입니다. 600, 910, 1100, 1630cm⁻¹ 흡수 밴드는 각각 Mo-S, S-S, Mo-O, -OH 신축에 대응합니다[51]. 약 3350cm⁻¹ 밴드는 표면 물 신축 진동에서 온 -CH₂ 기에 기인합니다[52]. TM0 시료와 비교해 TM0.5 시료 모든 피크가 약간 이동해 MoS₂와 Ti₃C₂ 나노시트 간 강한 상호작용 발생을 시사합니다.

TM0과 TM0.5 복합체 HRTEM 이미지를 그림 4a, b에서 추가 관찰했습니다. 전체적으로 Ti₃C₂ 첨가 증가로 MoS₂ 나노시트 중첩도와 MoS₂ 마이크로구체 응집이 감소합니다. 자세히 보면 순수 MoS₂ 나노시트에서 MoS₂ 중첩이 관찰되어 가시광 흡수에 불리합니다(그림 4a). Ti₃C₂ 첨가 증가로 MoS₂ 형태가 점차 웅크린 상태에서 펴진 상태로 변화합니다(그림 4b). 이는 확대된 비표면적과 증가된 활성 부위를 가져올 수 있습니다. 초박막 층상 Ti₃C₂ 나노시트가 용액에 잘 분산되어 MoS₂와 밀착 접촉합니다. 이는 강한 물리적 결합으로 MoS₂ 나노시트 펴짐을 촉진해 광촉매 공정 전자 전이에서 중요한 역할을 합니다. 반면 Ti₃C₂ 함량이 1, 2wt%로 더 증가하면 많은 MoS₂ 나노시트가 Ti₃C₂ 기판에 무작위 중첩 및 응집됩니다(그림 S6a, b).

그림 4c는 TM0.5 헤테로접합 구조를 보여줍니다. 0.23, 0.62nm 격자 간격은 각각 Ti₃C₂ (103) 결정면과 MoS₂ (110) 결정면에 할당됩니다[24, 47]. 친밀 접촉 헤테로접합은 헤테로접합 계면에서 광생성 캐리어와 정공 전이와 분리를 촉진합니다[43]. TM 시료 헤테로접합 구조 더 자세한 내용은 그림 S6c, d에서 관찰 가능합니다. TM0.5 주사 투과 전자 현미경(STEM) 이미지는 그림 4d에, 해당 Mo, S, C, Ti, F EDS 매핑은 그림 4e-i에 있습니다. C, Ti, Mo, S 원소 원자 비율(그림 S3)은 각각 62.68, 3.79, 10.56, 22.97%입니다. 초박막 Ti₃C₂ 나노시트에 접목된 꽃모양 MoS₂ 명확한 윤곽은 Ti₃C₂ 나노시트와 MoS₂가 친밀 헤테로접합을 성공적으로 구축했음을 입증합니다. SEM과 TEM 이미지 모든 증거가 TM 복합체 성공적 합성을 나타냅니다.

Ti₃C₂와 MoS₂ 복합체 내 공존을 추가 확인하기 위해 TM0.5 시료 표면 화학 조성과 상태 분석을 위해 XPS 수행했습니다(그림 5). XPS 서베이 스펙트럼에서 모든 원소(Mo, S, Ti, O, C) 관찰됩니다. 특성 피크 36.4, 160.6, 226.8, 283.6, 529.7eV는 각각 Ti 3p, S 2p, Mo 3d, C 1s, O 1s로 인덱싱됩니다[19]. 그림 5b에서 결합 에너지 223.86, 226.69, 229.99eV 세 피크는 각각 S 2s, Mo 3d_5/2, Mo 3d_3/2로 할당되어 TM 하이브리드 내 Mo³⁺ 존재를 보여줍니다. 그림 5c에서 159.53, 160.72eV 두 피크는 S 2p와 일치합니다. Ti₃C₂ 소속 C 1s 피크는 그림 5d에 표시된 바와 같이 결합 에너지 282.38, 283.57eV에 나타납니다.

그림 6a, b는 가시광 조사 하 다양한 TM 시료 MO 분해 광촉매 활성을 보여줍니다. 블랭크 실험은 촉매 없이 90분 반응 내 MO 용액에 뚜렷한 변화 없음을 입증합니다(그림 6a). MO 분자가 화학적으로 안정해 분해 어렵음이 입증됩니다. 광촉매 분해 전 암흑 1시간 교반으로 흡착 효과 제거했습니다. 암흑 60분 처리 후 37~51% MO가 다양한 TM 복합체에 흡착되었습니다. 모든 시료가 강한 물리적 흡착 능력을 보이며, TM0.5 시료가 증가된 비표면적으로 다른 시료보다 우수한 흡착 능력 보입니다. 흡착 후 평형 MO 농도를 초기 농도로 후속 광촉매 분해 실험 수행했습니다.

명백히 모든 TM 복합체가 가시광 조사 하 순수 MoS₂보다 높은 광분해 능력을 보이며, 소량 Ti₃C₂ MXene 첨가가 MoS₂ 광촉매 활성 향상됨을 시사합니다. MXene 첨가량 0~0.5wt% 증가 시 MO 총 분해가 급격히 증가합니다. TM0.5 시료가 최고 광촉매 성능으로 30분 내 97.4% MO 용액 분해 달성. Ti₃C₂ 첨가량을 2wt%로 더 증가시키면 TM 복합체 촉매 분해 능력 감소. 이 현상은 과도한 Ti₃C₂가 MoS₂ 나노시트 가시광 흡수 방해해 광촉매 활성 감소시키기 때문입니다[53]. 가시광 조사 하 MO 광촉매 분해용 다양한 TiO₂ 기반 복합체 비교는 표 S1에 있습니다.

또한 MO 분해 동역학을 유사 1차 반응 속도론(ln(C₀/C_t)) = kt, 여기서 k는 겉보기 1차 속도 상수)에 따라 피팅했습니다(그림 6b). TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1, TM2 동역학 속도 상수 k는 각각 0.00135, 0.00308, 0.00454, 0.00836, 0.00401, 0.0028min⁻¹로 얻었습니다. 최적 k 값은 TM0.5 시료로 TM0보다 약 6.2배 높습니다.

다양한 MO 농도에서 TM0.5 복합체 광촉매 활성 조사 위해 20, 30, 50mg/L MO 용액 분해를 그림 S7a에 나타냈습니다. 일반적으로 TM0.5 시료 분해 효율은 MO 용액 농도 증가에 따라 감소합니다. 주목할 점은 >90% 저농도 MO 용액이 25분 내 분해됩니다. 그림 S7b, c는 각각 30, 50mg/L MO 용액 자외선 흡수 스펙트럼 변화를 보여줍니다. 554nm MO 용액 강한 흡수 피크가 TM0.5 광분해 효과로 점차 감소합니다. 또한 TM0.5 시료는 125분 내 MO(50mg/L) 약 80% 분해 능력도 보입니다. 위 결과로 TM 광촉매가 고농도 유기 오염물질 분해에 잠재적 전망 있음을 입증합니다.

광촉매 안정성을 동일 조건에서 3회 반복 시험으로 테스트했습니다. 고속 원심 분리로 TM0.5를 혼합 용액에서 분리. TM 시료 안정성을 그림 7a에 나타냈습니다. TM0.5 시료 광촉매 활성이 광분해 공정 3회 재사용 후 유의미하게 감소하지 않아 광촉매가 우수한 안정성과 지속성을 가짐을 입증합니다[54]. 광촉매 구조 안정성은 사용 전후 XRD 비교로 얻었습니다(그림 S8).

포획 실험으로 광촉매 분해 잠재 메커니즘 얻었습니다. 광생성 정공(h⁺)과 하이드록실 라디칼(•OH)이 광촉매 분해 공정에서 핵심 역할 수행합니다[21]. 트리에탄올아민(EDTA)과 t-부탄올을 각각 가시광 조사 하 활성 정공(h⁺)과 하이드록실 라디칼(•OH) 소거제로 도입했습니다. 그림 7b에서 스캐빈저 없을 때 TM0.5 복합체 최고 광촉매 활성 보입니다. EDTA나 t-부탄올 존재 시 MO 분해 현저히 억제되어 광생성 정공과 하이드록실 라디칼 모두 광촉매 반응 참여함 시사. EDTA 첨가 후 MO 분해 현저히 감소(40% 미만)해 정공이 분해 반응 핵심 역할 수행함 지시. 따라서 광촉매 분해 주요 활성 종은 광생성 정공(h⁺)이고, 다음이 하이드록실 라디칼(•OH)입니다.

R-스킴 Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 2D/2D 헤테로접합은 MoS₂ 전도대 전자가 Ti₃C₂ 활성 부위로 이동 및 집적되게 해 광촉매 수소 발생 공정 가속화에 유리합니다. 그림 8a는 가시광 조사 하 다양한 TM 시료 H₂ 생산 활성 비교입니다. 순수 MoS₂(TM0) 시료는 광캐리어 빠른 재결합으로 낮은 광촉매 수소 생산 속도(65.4μmol h⁻¹g⁻¹) 보입니다. Ti₃C₂ 나노시트 결합 후 광촉매 H₂ 생산 속도 현저히 증가해 2D Ti₃C₂ MXene 전자 수용체가 전자 이동도 효과적 향상시킴 지시. Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 복합체 내 최적 Ti₃C₂ 로딩은 0.5wt%로, 수소 생산 속도 380.2μmol h⁻¹g⁻¹에 대응. 그러나 수소 생산 속도는 Ti₃C₂ 로딩 0.5wt%까지 증가 후 더 높은 로딩에서 감소. TM1, TM2 시료 수소 생산 속도는 각각 324.7, 266.3μmol h⁻¹g⁻¹. 높은 Ti₃C₂ 로딩에서 수소 발생 속도 감소는 과도한 Ti₃C₂ MXene이 MoS₂를 가시광에서 차폐하기 때문으로 설명 가능.

또한 TM0.5 광촉매 회수 가능성을 주기적 광촉매 수소 생산 시험으로 추가 분석했습니다. 그림 8b에서 조사 하 5시간 간격 반응 6사이클 후 H₂ 생산량 안정 유지되어 Ti₃C₂/MoS₂ 복합체 강한 안정성 가짐 시사.

R-스킴 Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 2D/2D 헤테로접합 위 광촉매 반응 가능 메커니즘을 그림 9a로 설명합니다. 가시광 조사 하 MoS₂ 원자가대(VB) 광유도 전자가 전도대(CB)로 전이됩니다. Ti₃C₂ 페르미 준위(E_F)가 MoS₂ CB 포텐셜보다 더 활성적이므로[55] 광전자가 친밀 접촉 헤테로접합으로 MoS₂ CB에서 Ti₃C₂로 빠르게 전이됩니다. 전형적 분해 공정에서 Ti₃C₂ MXene 표면 축적 다수 전자가 산소(O₂)와 반응해 초산화 라디칼(•O₂⁻) 생성. 한편 촉매 표면 흡착된 하이드록실 이온(OH⁻)과 물이 광생성 정공과 반응해 하이드록실 라디칼(•OH) 생성[46].

광촉매 H₂ 발생 반응 단계는 Ti₃C₂ 활성 부위에서 식 (1)-(3)으로 기술됩니다:

$$ {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}+\ast \to \mathrm{H}\ast +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ (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)

HER 공정에서 활성 부위는 *로 표시. Ti₃C₂ MXene 표면 종결기가 H₃O⁺ 이온과 전자 흡수해 H 원자 형성, 볼머 반응(식 1). H 원자가 Ti₃C₂ 전자와 다른 H₃O⁺ 결합해 수소 분자 형성, 헤이롭스키 메커니즘(식 2). 활성 부위 두 H 원자로 H₂ 분자 형성, 타펠 메커니즘(식 3)[44].

TM 시료 2D/2D 헤테로접합을 그림 9b로 설명. 광생성 전자가 2D/2D 헤테로접합 전자 전이 채널로 MoS₂에서 Ti₃C₂ 나노시트 표면으로 빠르게 이동. 2D Ti₃C₂ 우수한 전자 전도도가 광생성 전자-정공 쌍 분리 시간 효과적 연장 및 재결합 감소. 따라서 광촉매 활성 현저히 향상.

결론

요약하면, 수열법으로 R-스킴 Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 복합체 2D/2D 헤테로접합 성공적 합성. Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 광촉매가 순수 MoS₂ 대비 MO 분해와 H₂ 발생 반응에서 현저히 향상된 광촉매 활성 나타냄. 0.5wt% Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 시료가 30분 조사 후 97.4% MO 분해 최적 도달, 가시광 조사 하 380.2μmol h⁻¹g⁻¹ 수소 발생 속도. 형태 구조 분석 확인: MoS₂ 나노시트가 초박막 Ti₃C₂ MXene에 의해 웅크린 상태에서 펴진 상태로 유도되어 비표면적 크게 증가 및 광흡수 능력 향상. 더 중요하게, Ti₃C₂ MXene이 MoS₂ 나노시트와 결합해 들뜬 반도체 전자 효과적 수신 및 전이, 전하 재결합 억제 및 계면 전하 전이 공정 개선에 유리. 본 연구에서 구축된 새로운 R-스킴 Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 2D/2D 헤테로접합이 Ti₃C₂ MXene이 광촉매 반응에서 유망한 공동촉매 될 수 있음을 입증.