光催化水裂解有望實現大規模和可持續的太陽能產氫。最早使用的半導體材料產氫活性不高，近年來發展的Pt系共催化劑有效提高了光催化劑的產氫活性和穩定性，但是成本較高。因此，開發高活性、儲量豐富、低成本的共催化劑來實現清潔可持續的產氫是一項光榮且急迫的任務！
圖1.PEC光解水產氫示意圖
目前來說，高活性、儲量豐富、低成本的共催化劑至少還存在以下幾個問題：
1）共催化劑表面和光催化劑表面難以建立強相關作用，不利于界面電荷傳遞和長期穩定性。
2）共催化劑導電性較差或者π共軛體系破壞，導致內部電子穿梭效率不高。
3）吉布斯自由能不利于析氫。
4）親水功能性不足，導致與水分子接觸不夠。
5）穩定性不夠，有時需要在非水環境中。
圖2. Ti3C2的DFT計算
MXene，作為一類全新的二維材料（金屬碳化物、氮化物、碳氮化物的總稱），在解決上述問題中表現出極大的潛力：
1）MXenen表面含有大量-OH和-O，可與多種半導體表面建立強相關作用。
2）良好的導電性有助于電荷-載流子高效傳遞。
3）終端暴露的金屬位點使得MXene可能比碳材料具有更強的氧化還原活性。
4）良好的親水性確保和水分子的充分接觸。
5）可以在水中穩定存在。
有鑒于此，喬世璋課題組通過DFT理論計算指導合成了一種具有高效共催化性能的MXene材料：Ti3C2納米顆粒。
圖3. Ti3C2納米顆粒的表征
研究人員通過水熱法將Ti3C2納米顆粒集成到吸光材料CdS表面，實現了活性高達14342 μmol h-1 g-1的可見光催化產氫，在420 nm處表觀量子效率為40.1%。同時，該策略也成功地拓展到了ZnS 或ZnxCd1?xS等其他光催化劑體系中。
圖4. 產氫性能
研究人員認為，高活性來源于更有利的費米能級、導電性和Ti3C2納米顆粒優異析氫性能的綜合效果。
這項研究成果可能是首次將MXenen作為共催化劑引入到光解水產氫體系中，證明了MXene在取代Pt，構建低成本、高性能光電極或者光催化劑方面的巨大潛力。
圖5. 產氫機理
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