R-Schema Ti3C2 MXene/MoS2 2D/2D-Heteroübergänge: Durchbruch in der Photokatalyse-Effizienz

Zusammenfassung

Die Kombination zweidimensionaler (2D) Materialien und Halbleiter gilt als effektiver Weg zur Herstellung von Photokatalysatoren zur Lösung von Umweltverschmutzung und Energiekrise. In dieser Arbeit wurde ein neuartiger 2D/2D-Heteroübergang aus R-Schema Ti₃C₂ MXene/MoS₂ Nanosheets erfolgreich durch hydrothermale Reaktion synthetisiert. Die photokatalytische Aktivität der Ti₃C₂ MXene/MoS₂ Komposite wurde durch photokatalytischen Abbau und Wasserstoffentwicklungsreaktion bewertet. Besonders die 0,5 wt% Ti₃C₂ MXene/MoS₂ Probe zeigte optimale Methylorange (MO) Abbau (97,4 %) und H₂ Entwicklungsrate (380,2 µmol h⁻¹ g⁻¹), was auf verbesserte optische Absorption und erhöhte spezifische Oberfläche zurückzuführen ist. Zudem verbessert Ti₃C₂ MXene gekoppelt mit MoS₂ Nanosheets die Photostromantwort und reduziert den elektrochemischen Widerstand, was den Elektronentransfer angeregter Halbleiter fördert und Ladungsrekombination hemmt. Diese Arbeit zeigt, dass Ti₃C₂ MXene ein vielversprechender Träger für 2D/2D-Heteroübergänge in photokatalytischem Abbau und Wasserstoffentwicklung ist.

Einleitung

In den vergangenen Jahren hat sich die industrielle Wissenschaft und Technologie stark entwickelt, während Umweltprobleme und Energiekrise immer ernster wurden [1–4]. Seit 1972 wurde die signifikante Anwendung von Titandioxid (TiO₂) zur Wasserspaltung berichtet [5]. Forscher arbeiten daran, die Reaktion von TiO₂-basierten Kompositen auf den sichtbaren Lichtbereich auszudehnen und Halbleiter mit schmalen Bandlücken zu erforschen, um Umweltverschmutzung und Energiekrise besser zu bewältigen [6–12].

Metallsulfid-Halbleiterkatalysatoren gelten als wesentliche Träger zur Lösung von Umweltverschmutzung und Energiekrise aufgrund schmaler Bandlücken, geringer Toxizität und hervorragender katalytischer Fähigkeit [13, 14]. Die relativ schmale Bandlücke (E_g = 1,8 eV), einzigartige optische Eigenschaften und Schichtstruktur von MoS₂ Nanosheets haben zunehmende Aufmerksamkeit erregt [15–18]. MoS₂ wurde mit verschiedenen 2D-Materialien und Halbleitern gekoppelt – TiO₂ [19], Graphenoxid (GO) [20], g-C₃N₄ [21], SnO₂ [12], Bi₂WO₆ [22], Bi₂O₂CO₃ [23], CdS [24] – um die Effizienz von photokatalytischem Abbau und Wasserstoffproduktion zu steigern. Es wurde gezeigt, dass höhere Konzentrationen von Methylorange (MO) (30 mg/L) organische Schadstoffe in 60 min unter sichtbarem Licht durch MoS₂/CdS Nanokomposite abgebaut werden können [24].

Seit dem ersten Bericht 2011 haben MXene als Mitglieder der 2D-Materialfamilie umfangreiche Aufmerksamkeit erfahren [25–27]. MXene lassen sich aus MAX-Phasen durch Ätzen der A-Lage mit HF oder HCl/LiF herstellen und besitzen hervorragende elektrochemische Eigenschaften, chemische Stabilität und zahlreiche hydrophile Funktionalitäten an der Oberfläche (-OH/-O) [28–30]. Das populärste Ti₃C₂ MXene wird durch Exfoliation von Ti₃AlC₂ mit starker Säure gewonnen [31]. Seine ausgezeichnete Leitfähigkeit und zweidimensionale Schichtstruktur machen es zu Energiespeichermaterialien für Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) und elektrochemische Kondensatoren [31–34].

Ti₃C₂ MXene mit reichhaltigen oxidierten Oberflächengruppen begünstigt den Heteroübergang zwischen MXene und Halbleitern [35–38]. Der Heteroübergang hilft, starken Grenzflächenkontakt zwischen Photokatalysator und Kokatalysator herzustellen. Durch starke physikalische und elektronische Kopplung kann der Grenzflächenkontakt den Transfer und die Trennung photoinduzierter Ladungsträger an der Heteroübergangsgrenze 크게 verbessern – der Schlüsselfaktor für gesteigerte photokatalytische Leistung [39–41].

Beispielsweise zeigten TiO₂/Ti₃C₂ und Ti₃C₂/Bi₂WO₆ Komposite hervorragende photokatalytische CO₂-Reduktionsaktivität, zurückzuführen auf hocheffiziente Ladungsträgertrennung und reichhaltige Aktivierungsstellen [42, 43]. Die Wasserstoffproduktionsleistung von g-C₃N₄/Ti₃C₂ Photokatalysatoren wurde signifikant gesteigert, bedingt durch überlegene elektrische Leitfähigkeit und hocheffizienten Ladungstransfer [44]. TiO₂/Ti₃C₂ und α-Fe₂O₃/Ti₃C₂ Hybride fördern die photokatalytische Abbaueffizienz organischer Schadstoffe unter UV- und sichtbarem Licht durch Heteroübergänge [45–47].

Hierin wird ein 2D/2D-Heteroübergang aus R-Schema Ti₃C₂ MXene/MoS₂ Photokatalysatoren durch hydrothermale Methode synthetisiert. Photokatalytische Aktivitäten der Ti₃C₂ MXene/MoS₂ Komposite werden durch photokatalytischen MO-Abbau und Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) unter sichtbarem Licht bewertet. Die Leistung zeigt, dass MoS₂ gekoppelt mit Ti₃C₂ MXene höhere Abbaukapazität und H₂-Produktionsrate als reines MoS₂ unter gleichen Bedingungen aufweist. Die vergrößerte spezifische Oberfläche und verbesserte optische Absorption resultieren aus der Morphologieänderung der MoS₂ Nanosheets von gekrümmter zu gestreckter Form, induziert durch Ti₃C₂ MXene. Vor allem die starke Wechselwirkung zwischen MoS₂ und Ti₃C₂ MXene begünstigt den 2D/2D-Heteroübergang, der die Trennung und den Transfer von Photoelektronen aus Defekten effektiv fördert und die photokatalytische Aktivität signifikant steigert.

Methoden / Experimenteller Teil

Photokatalysator-Herstellung

Ausgangsmaterialien

Ti₃AlC₂ MAX-Pulver (> 98 Gew.-% Reinheit), Fluorwasserstoffsäure, Ammoniummolybdat ((NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O), Thioharnstoff ((NH₂)₂CS) und Methylenorange wurden von Shanghai Yuehuan Co., Ltd. (Shanghai, China) bzw. Guoyao Chemical Co., Ltd. (China) bezogen.

Synthese von Ti₃C₂ Nanosheets

Ti₃AlC₂ schwarzes Pulver wird in 49 % HF-Lösung bei Raumtemperatur unter Rühren 26 h geätzt, um die Al-Lage zu entfernen. Das behandelte Pulver wird durch Zentrifugation 7–8 mal mit deionisiertem Wasser gewaschen, bis pH 7 erreicht ist. Die Ti₃C₂ Suspension wird 6 h soniziert und dann 20 min bei 10.000 rpm zentrifugiert [48]. Schließlich wird die Lösung getrocknet, um das finale Produkt Ti₃C₂ MXene Nanosheets zu erhalten.

Hydrothermale Herstellung von Ti₃C₂ MXene/MoS₂ (TM) Kompositen

Zunächst werden 1,1 g Ammoniummolybdat und 2,2 g Thioharnstoff in deionisiertem Wasser unter starkem Rühren 60 min gelöst, um eine homogene Lösung (Lösung A) zu bilden. Dann wird eine Menge Ti₃C₂ Nanosheets in 20 ml deionisiertes Wasser 30 min gerührt und zusätzlich 40 min ultraschallbehandelt (Lösung B). B wird tropfenweise unter Ultraschall 30 min in A gemischt. Die Mischung wird in einen 100 ml Teflon-ausgekleideten Autoklaven überführt und bei 180 °C 7 h gehalten. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur werden die erhaltenen schwarzen Katalysatoren dreimal mit DI-Wasser gewaschen, um Dispergiermittel zu entfernen, und 10 h bei 70 °C im Vakuumofen getrocknet. Durch Zugabe der Ti₃C₂ Lösung wird das Massenverhältnis von Ti₃C₂ MXene zu MoS₂ auf 0, 0,1 %, 0,3 %, 0,5 %, 1,0 % und 2,0 wt% eingestellt. Die Proben werden als TM0, TM0,1, TM0,3, TM0,5, TM1 und TM2 bezeichnet.

Photokatalytischer Abbau von Methylenorange

Alle Abbauexperimente erfolgen in einem 100 ml Becherglas unter konstantem Rühren. Methylorange dient zur Bewertung der photokatalytischen Aktivität. Der Test nutzt eine 400 W Metallhalogenlampe. Typischerweise werden 50 mg Ti₃C₂/MoS₂ Probe in 50 ml MO wässriger Lösung (20/30/50 mg/L) dispergiert. Die Lösung mit Katalysator wird 60 min im Dunkeln unter starkem Magnetrühren zur Adsorptionsgleichgewicht platziert. Vor Licht-Einschaltung werden Proben 1 min ultraschallbehandelt für gute Dispersion. In bestimmten Zeitintervallen werden ca. 3,5 ml Gemisch mit Zentrifugation (4 min, 8000 rpm) entnommen, um festen Katalysator zu entfernen. Die Änderung bei 464 nm Wellenlänge wird durch MO-Konzentration bestimmt, gemessen mit UV-Vis-Spektrophotometer. Die Anfangskonzentration ist C₀, C_t die Konzentration zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Abbaueffizienz spiegelt sich im relativen Absorbationsverhältnis C_t/C₀ wider.

Photokatalytische Wasserstoffproduktionsevaluation

Die H₂-Entwicklungstests erfolgen in einem 50 ml Quarzkolben bei Umgebungstemperatur und -druck. 5 mg TM Probe werden in 70 ml wässriger Lösung mit 0,35 M Na₂S und 0,25 M Na₂SO₃ dispergiert und mit 300 W Xe-Lampe mit 420 nm Cutoff-Filter bestrahlt. Vor Bestrahlung wird 35 min kontinuierlich Gas (N₂) durchgeleitet, um Sauerstoff zu entfernen. Die H₂-Produktion wird per Gaschromatographie (Agilent 7890) mit TCD-Detektor detektiert.

Mikrostruktur-Charakterisierung

Phasenanalyse der Ti₃C₂/MoS₂ Proben bei 40 kV und 40 mA per Röntgendiffraktometer (XRD, Cu Kα, Bruker D8 Advance, Deutschland). Mikromorphologie per Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM, Zeiss Ultra Plus, Zeiss, Deutschland) gekoppelt mit energiedispersiver Spektroskopie (EDS). Hochauflösende Transmissionelektronenmikroskopie (HRTEM, JEM-2100F, Japanese Electronics, China) für Morphologie und Heteroübergangsgrenze. Infrarotspektren per Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR, Nexus, Thermo Nicolet, USA) im Bereich 400–4000 cm⁻¹. Optische Eigenschaften per UV-Vis diffusreflektierender Spektroskopie (DRS, Lambda 750S, PerkinElmer, USA) mit Integralsphäre. Chemische Zustände per Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher Scientific, China).

Elektrochemische Messungen

Elektrochemische Tests per CHI 1030 A elektrochemische Station. Typisch: 5 mg TM Probe und 110 µl 5 wt% Nafion-Lösung in 2,5 ml 1:4 v/v Ethanol/Wasser mit 9 min Sonikation zu homogener Suspension. 5 µl Tinte auf glaskohlenstoffelektrode (GCE). Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) in gleicher Konfiguration bei Überpotenzial η = 200 mV von 0,1 bis 10⁵ kHz mit 5 mV AC-Spannung.

Ergebnisse und Diskussion

Kristallinität von Ti₃AlC₂ und Ti₃C₂ MXene wird im 2θ = 5–70° Bereich analysiert (Abb. S1). Der markante Beugungspeak von Ti₃AlC₂ bei 2θ = 39° verschwindet, der Ti₃C₂ MXene Peak bei 2θ = 9,7° verschiebt sich zu kleineren Winkeln – Ti₃AlC₂ wurde erfolgreich zu Ti₃C₂ transformiert [42]. Abbildung 1 zeigt XRD-Muster der TM-Proben mit verschiedenen Ti₃C₂ Zugaben. Die Hauptbeugungspeaks von TM0 sind auf reines MoS₂ mit Gitterkonstanten a = 3,16 und c = 12,294 Å (JCPDS Nr. 37-1492) indexiert [15]. Nach Kopplung mit Ti₃C₂ zeigen die Hauptpeaks für (002), (100), (103) Ebenen der TM-Komposite breitere und geringere Intensität als TM0, was auf Wachstumsbegrenzung von MoS₂ durch Ti₃C₂ hindeutet [49]. Kein offensichtlicher Ti₃C₂ MXene Peak ist detektierbar, was auf niedrige Beladung mit guter Dispersion zurückzuführen ist.

Abb. 1 XRD-Muster von TM0, TM0,1, TM0,3, TM0,5, TM1 und TM2 Kompositen.

Morphologische Bilder der Ti₃C₂/MoS₂ Komposite mit verschiedenen Ti₃C₂ Mengen in Abb. 2. Alle Proben zeigen blütenartige Nanosphären mit zufällig verteilten Löchern an der Oberfläche. Die blütenartige Struktur besteht aus unregelmäßigen Nanosheets mit durchschnittlicher Dicke ~15 nm.

Abb. 2 FESEM-Bilder von a TM0, b TM0,1, c TM0,3, d TM0,5, e TM1, f TM2.

Abb. 2a zeigt typische Mikrostruktur von TM0 mit ~200–400 nm Durchmesser. Abb. 2b–f: FESEM-Bilder von TM0,1 bis TM2. Alle Proben teilen ähnliche Morphologie mit reinem MoS₂. Geschichtete Ti₃C₂ MXene haben glattere Oberfläche und blütenartige MoS₂ Mikrosphären reichern sich an Lamellenrändern an, was zeigt, dass die Ti₃C₂ MXene Struktur während hydrothermaler Synthese nicht zerstört wird. Abb. S2a zeigt den 2D/2D-Heteroübergang mit inniger Kopplung zwischen (2D) MoS₂ und (2D) Ti₃C₂. Entsprechende EDS-Mapping-Bilder (Abb. S2b–e) zeigen gleichmäßige Verteilung von Mo, Ti und C im TM-Komposit.

Optische Absorption der TM-Komposite per UV-Vis DRS (Abb. 3a). TM0,5 besitzt stärkste Absorption im sichtbaren und UV-Bereich im Kontrast zu TM0. In einem gewissen Bereich wird die Absorptionsintensität mit zunehmendem Ti₃C₂ Gehalt signifikant verstärkt. Übermäßiges Ti₃C₂ verringert die photokatalytische Leistung, da es die Lichtabsorption der MoS₂ Nanosheets verhindert [50].

Abb. 3 a UV-Vis DRS von TM0, TM0,1, TM0,3, TM0,5, TM1, TM2. b N₂ Adsorptions-Desorptions-Isothermen für TM0 und TM0,5. c Photostromantwort. d Elektrochemische Impedanzspektren von TM0 und TM0,5.

Abb. 3b zeigt N₂ Adsorptions-Desorptions-Isothermen von TM0 und TM0,5 und Porengrößenverteilung (Einsatz). Beide Proben wurden 4 h bei 100 °C vorbehandelt. Mittlere Porengröße: TM0 24,9 nm, TM0,5 29,1 nm. BET-Oberfläche: TM0 8,51 m²/g, TM0,5 10,2 m²/g – TM0,5 hat größere spezifische Oberfläche und N₂-Adsorptionskapazität.

Trenneffizienz photo-generierter Löcher und Elektronen bestätigt durch transienten Photostrom (I-t Kurven, Abb. 3c). TM0,5 zeigt höheren Photostrom als TM0, zurückzuführen auf effektive Migration von Photoelektronen aus MoS₂ Leitungsband zu Ti₃C₂ Nanosheets. Ladungsträger-Rekombination/Transfer per EIS (Abb. 3d). Größter und kleinster Nyquist-Bogen: TM0 bzw. TM0,5 – hohe Leitfähigkeit von Ti₃C₂ MXene fördert Elektronenmigration. Größerer Bogenradius bei TM2 (Abb. S4) deutet auf erhöhten Trägertransferwiderstand bei zu hoher Ti₃C₂ Beladung hin. Die Übereinstimmung von I-t und EIS bestätigt, dass Ti₃C₂ Gehalt den Transfer photogenerierter Ladungsträger beeinflusst.

Abb. S5 zeigt FT-IR Spektren von TM0 und TM0,5. Absorptionsbänder bei 600, 910, 1100, 1630 cm⁻¹ entsprechen Mo-S, S-S, Mo-O, -OH Streckung [51]. Band bei ~3350 cm⁻¹ gehört zu -CH₂ von Oberflächenwasser [52]. Im Vergleich zu TM0 zeigen alle Peaks von TM0,5 leichte Verschiebung – starke Wechselwirkung zwischen MoS₂ und Ti₃C₂ Nanosheets.

HRTEM-Bilder von TM0 und TM0,5 in Abb. 4a, b. Insgesamt nimmt Überlappung der MoS₂ Nanosheets und Agglomeration der MoS₂ Mikrosphären mit zunehmendem Ti₃C₂ Gehalt ab. Im Detail: Reines MoS₂ zeigt Überlappung (Abb. 4a), nicht vorteilhaft für sichtbares Licht. Mit zunehmendem Ti₃C₂ ändert sich Morphologie von gekrümmter zu gestreckter Form (Abb. 4b), was spezifische Oberfläche und aktive Stellen vergrößert. Ultradicke Ti₃C₂ Nanosheets sind gut dispergiert und kontaktieren MoS₂ innig – begünstigt Streckung durch starke physikalische Kopplung, wichtig für Elektronentransfer. Bei weiterem Ti₃C₂ Anstieg (1, 2 wt%) überlagern und agglomerieren viele MoS₂ Nanosheets zufällig auf Ti₃C₂ Substraten (Abb. S6a, b).

Abb. 4 a, b TEM-Bilder von TM0 und TM0,5. c HRTEM von Ti₃C₂/MoS₂. d STEM-Bild. e–i EDS-Mapping von Mo, S, C, Ti, F in TM0,5.

Abb. 4c zeigt Heteroübergangsstruktur von TM0,5. Gitterabstände 0,23 nm und 0,62 nm zugeordnet zu (103) Ebene von Ti₃C₂ und (110) Ebene von MoS₂ [24, 47]. Der innige Heteroübergang fördert Transfer und Trennung photogenerierter Ladungsträger und Löcher an der Grenzfläche [43]. Details in Abb. S6c, d. STEM von TM0,5 in Abb. 4d, EDS-Mapping in Abb. 4e–i. Atomverhältnisse (Abb. S3): C 62,68 %, Ti 3,79 %, Mo 10,56 %, S 22,97 %. Die klare Kontur blütenartiger MoS₂ auf ultradünnen Ti₃C₂ Nanosheets beweist erfolgreiche Konstruktion des innigen Heteroübergangs. Alle SEM/TEM-Beweise bestätigen erfolgreiche Synthese.

Zur Bestätigung der Koexistenz von Ti₃C₂ und MoS₂ im Komposit wurde XPS an TM0,5 durchgeführt (Abb. 5). Alle Elemente (Mo, S, Ti, O, C) im Survey-Spektrum. Charakteristische Peaks bei 36,4, 160,6, 226,8, 283,6, 529,7 eV: Ti 3p, S 2p, Mo 3d, C 1s, O 1s [19]. Abb. 5b: Peaks bei 223,86, 226,69, 229,99 eV → S 2s, Mo 3d_5/2, Mo 3d_3/2 – Existenz von Mo³⁺ in TM-Hybriden. Abb. 5c: Peaks bei 159,53 und 160,72 eV → S 2p. Abb. 5d: C 1s Peaks von Ti₃C₂ bei 282,38 und 283,57 eV.

Abb. 5 a XPS Survey und hochauflösende XPS von b Mo 3d, c S 2p, d C 1s in TM-Probe.

Abb. 6a, b: Photokatalytische Aktivität für MO-Abbau über verschiedene TM-Proben unter sichtbarem Licht. Blanko-Versuch: Keine offensichtliche Änderung in MO-Lösung innerhalb 90 min ohne Katalysator (Abb. 6a) – MO chemisch stabil, schwer abbaubar. Adsorptionswirkung vor photokatalytischem Abbau durch 1 h Rühren im Dunkeln eliminiert. Nach 60 min Dunkelinubation: 37–51 % MO von verschiedenen TM-Kompositen adsorbiert. Alle zeigen starke physikalische Adsorption; TM0,5 beste Adsorptionsfähigkeit durch erhöhte spezifische Oberfläche. Nach Adsorption: photokatalytischer Abbau mit Gleichgewichtskonzentration als Anfangskonzentration.

Abb. 6 a Photokatalytische Abbauleistung. b Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k von TM0, TM0,1, TM0,3, TM0,5, TM1, TM2 unter sichtbarem Licht (30 mg/L MO).

Alle TM-Komposite zeigen höhere Photodegradation als reines MoS₂ unter sichtbarem Licht – geringe Ti₃C₂ MXene Zugabe steigert Aktivität. Bei Erhöhung von 0 auf 0,5 wt% steigt Gesamtabbau drastisch. Höchstleistung bei TM0,5: 97,4 % MO abgebaut in 30 min. Weitere Erhöhung auf 2 wt% verringert Abbaukapazität – zu viel Ti₃C₂ hindert sichtbares Licht an MoS₂ Nanosheets, reduziert Aktivität [53]. Vergleich verschiedener TiO₂-basierter Komposite für MO-Abbau unter sichtbarem Licht in Tabelle S1.

Abbaukinetik per Pseudo-Erster-Ordnung (ln(C₀/C_t) = kt) in Abb. 6b. Geschwindigkeitskonstanten k: TM0 0,00135, TM0,1 0,00308, TM0,3 0,00454, TM0,5 0,00836, TM1 0,00401, TM2 0,0028 min⁻¹. Optimaler k bei TM0,5 – ~6,2-fach höher als TM0.

Untersuchung bei verschiedenen MO-Konzentrationen (Abb. S7a): Abbau effizienz nimmt mit steigender MO-Konzentration ab. >90 % niedrigkonzentrierte MO in 25 min abgebaut. Abb. S7b, c: UV-Absorptionsspektren von 30 und 50 mg/L MO – starker Peak bei 554 nm nimmt durch Photodegradation ab. TM0,5 zeigt auch starke Abbaukapazität (~80 %) für 50 mg/L MO in 125 min. TM-Photokatalysatoren haben Potenzial für hochkonzentrierte organische Schadstoffe.

Stabilitätstest durch dreimalige Wiederholung unter gleichen Bedingungen. Trennung von TM0,5 per Hochgeschwindigkeitszentrifuge. Abb. 7a: Photokatalytische Aktivität von TM0,5 nimmt nach 3 Zyklen nicht signifikant ab – überlegene Stabilität und Nachhaltigkeit [54]. Strukturelle Stabilität per XRD vor/nach Gebrauch (Abb. S8).

Abb. 7 a Recycling photokatalytischer Experimente von TM0,5 für MO-Abbau (3 Zyklen, gleiche Bedingungen). b Einfluss verschiedener Scavenger auf MO-Photodegradation unter sichtbarem Licht.

Potentieller Mechanismus durch Fangversuche. Photogenerierte Löcher (h⁺) und Hydroxylradikale (•OH) spielen entscheidende Rolle [21]. Triethanolamin (EDTA) und t-Butanol als Scavenger für h⁺ bzw. •OH unter sichtbarem Licht. Abb. 7b: TM0,5 beste Aktivität ohne Scavenger. Mit EDTA oder t-Butanol wird MO-Abbau stark gehemmt – beide Species beteiligen sich. Nach EDTA-Zugabe starker Abfall (unter 40 %) – Löcher spielen Schlüsselrolle. Hauptaktive Species: photogenerierte Löcher (h⁺), gefolgt von Hydroxylradikalen (•OH).

Der 2D/2D-Heteroübergang R-Schema Ti₃C₂ MXene/MoS₂ begünstigt Migration und Anreicherung von Elektronen aus MoS₂ Leitungsband zu aktiven Stellen von Ti₃C₂, beschleunigt photokatalytische Wasserstoffentwicklung. Abb. 8a: Vergleich H₂-Produktionsaktivitäten verschiedener TM-Proben unter sichtbarem Licht. Reines MoS₂ (TM0): geringe Rate (65,4 µmol h⁻¹ g⁻¹) durch schnelle Photoladungsträger-Rekombination. Nach Kopplung mit Ti₃C₂ Nanosheets signifikante Steigerung – 2D Ti₃C₂ MXene als Elektronenakzeptoren verbessern Elektronenmobilität effektiv. Optimale Beladung: 0,5 wt% Ti₃C₂ in Ti₃C₂ MXene/MoS₂ mit 380,2 µmol h⁻¹ g⁻¹. Raten steigen bis 0,5 wt%, fallen dann bei höherer Beladung. TM1: 324,7, TM2: 266,3 µmol h⁻¹ g⁻¹. Reduktion bei höherer Beladung: übermäßiges Ti₃C₂ MXene schirmt MoS₂ vom sichtbaren Licht ab.

Abb. 8 a Photokatalytische H₂-Entwicklungsrate von TM0, TM0,1, TM0,3, TM0,5, TM1, TM2 unter sichtbarem Licht. b Recycling-Tests von TM0,5 für Wasserspaltung.

Wiedergewinnbarkeit von TM0,5 per zyklischen H₂-Produktionstests (Abb. 8b): H₂-Produktion stabil nach 6 Zyklen mit 5 h Intervall – Ti₃C₂/MoS₂ Komposite haben starke Stabilität.

Wahrscheinlicher Mechanismus in Abb. 9a. Photoinduzierte Elektronen steigen aus Valenzband (VB) von MoS₂ in Leitungsband (CB) unter sichtbarem Licht. Photoelektronen transferieren schnell von CB MoS₂ zu Ti₃C₂ über innigen Heteroübergang, da Fermi-Niveau E_F von Ti₃C₂ aktiver als CB-Potenzial von MoS₂ [55]. Typischer Abbau: viele Elektronen auf Ti₃C₂ Oberfläche reagieren mit O₂ zu Superoxidradikalen (•O₂⁻). Gleichzeitig reagieren Hydroxylionen (OH⁻) und adsorbiertes Wasser mit photogenerierten Löchern zu Hydroxylradikalen (•OH) [46].

Abb. 9 a Energieniveaudiagramm von MoS₂ und Ti₃C₂. b Schema photoinduzierten Elektronentransfers an Heteroübergangsgrenze.

Schritte der H₂-Entwicklungsreaktion an aktiven Stellen von Ti₃C₂ (Gleichungen 1–3):

H₃O⁺ + e⁻ + * → H* + H₂O (1)

H₃O⁺ + e⁻ + H* → H₂ + H₂O (2)

H* + H* → H₂ (3)

Aktive Stellen durch * dargestellt. Oberflächenendgruppen von Ti₃C₂ MXene absorbieren H₃O⁺ und Elektron zu H-Atom (Volmer-Reaktion, Gl. 1). H-Atom kombiniert mit Elektron von Ti₃C₂ und weiterem H₃O⁺ zu H₂ (Heyrovsky-Mechanismus, Gl. 2). H₂ aus zwei H-Atomen an aktiven Stellen (Tafel-Mechanismus, Gl. 3) [44].

2D/2D-Heteroübergang der TM-Proben in Abb. 9b. Photogenerierte Elektronen migrieren schnell von MoS₂ zu Ti₃C₂ Nanosheet-Oberfläche durch elektronischen Transferkanal des 2D/2D-Heteroübergangs. Exzellente elektronische Leitfähigkeit von 2D Ti₃C₂ verlängert Trennzeit effektiv und reduziert Rekombination von Elektron-Loch-Paaren [56]. Daher wird photokatalytische Aktivität offensichtlich gesteigert.

Fazit

Zusammenfassend wurde 2D/2D-Heteroübergang R-Schema Ti₃C₂ MXene/MoS₂ Komposit erfolgreich hydrothermal synthetisiert. Ti₃C₂ MXene/MoS₂ Photokatalysatoren zeigen bemerkenswert gesteigerte Aktivität für MO-Abbau und H₂-Entwicklung im Vergleich zu reinem MoS₂. 0,5 wt% Ti₃C₂ MXene/MoS₂ erreicht optimalen MO-Abbau 97,4 % nach 30 min und H₂-Rate 380,2 µmol h⁻¹ g⁻¹ unter sichtbarem Licht. Morphologie- und Strukturanalysen bestätigen: MoS₂ Nanosheets werden durch ultradünnes Ti₃C₂ MXene von gekrümmter zu gestreckter Form induziert, was spezifische Oberfläche stark erhöht und Lichtabsorption verbessert. Wichtiger: Ti₃C₂ MXene gekoppelt mit MoS₂ Nanosheets nimmt Elektronen aus angeregtem Halbleiter effektiv auf und transferiert sie, unterdrückt Ladungsrekombination und verbessert Grenzflächenladungstransfer. Diese Arbeit zeigt, dass Ti₃C₂ MXene ein vielversprechender Kokatalysator in photokatalytischen Reaktionen sein kann.