近年來(lái)，Ti₃C₂MXene因其出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、豐富的表面修飾和高效的導(dǎo)電性而成為著名的二維光催化納米材料。值得注意的是，當(dāng)MXene與其他光催化劑（例如金屬氧化物、金屬硫化物和g-C₃N₄）結(jié)合時(shí)，其光催化活性進(jìn)一步提高。Bi₂WO₆是一種無(wú)毒的Aurvillius氧化物，具有層狀結(jié)構(gòu)，由鈣鈦礦狀的(WO₄)^2-和(Bi₂O₂)²⁺片層組成，表現(xiàn)出強(qiáng)氧化能力和可見(jiàn)光響應(yīng)。然而，Bi₂WO₆很難從水相反應(yīng)體系中分離出來(lái)，從而阻礙了其可重復(fù)使用性和可回收性，甚至進(jìn)一步限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，將Bi₂WO₆與其他納米材料（例如MXene）集成起來(lái)，對(duì)于提高光催化劑的可回收性至關(guān)重要。而異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有大接觸面積的單層或雙層，為光生載流子提供了短的擴(kuò)散距離，從而產(chǎn)生優(yōu)越的催化活性。然而，由于其相對(duì)松散的結(jié)構(gòu)以及π-π和π-π堆積作用，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的催化活性無(wú)法進(jìn)一步提高。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有緊密界面的異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，以進(jìn)一步縮短擴(kuò)散距離并改善其光催化活性仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

本研究中，我們通過(guò)MXene與Bi(NO₃)₃鹽反應(yīng)形成了Bi₂Ti₂O₇物種，在MXene表面生成原位的鈦陽(yáng)離子缺陷，促進(jìn)了光催化氧化反應(yīng)。另外，Bi₂Ti₂O₇物種也可以作為催化劑，在熱條件下通過(guò)Na₂WO₄和Bi(NO₃)₃溶液中的原位生長(zhǎng)，從而從Bi₂Ti₂O₇物種中產(chǎn)生Bi₂WO₆納米片，形成具有緊密界面的MXene-Bi₂WO₆異質(zhì)結(jié)構(gòu)。由Bi₂Ti₂O₇鉸鏈連接的MXene-Bi₂WO₆（TC-BW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)在LED光驅(qū)動(dòng)光催化芐醇氧化反應(yīng)中表現(xiàn)出5.0 mmol PhCHO g_cat^-1 h^-1的優(yōu)異產(chǎn)量。在此，我們開(kāi)發(fā)了一種水熱生長(zhǎng)策略，制備了具有緊密界面接觸的超薄MXene-Bi₂WO₆異質(zhì)結(jié)構(gòu)，為光生空穴和電子創(chuàng)造了短的擴(kuò)散長(zhǎng)度，從而提高了催化性能。

圖1 (a) TC-WB復(fù)合材料合成路線示意圖。(b) XRD，(c)拉曼，(d)STEM圖。(e)放大的STEM圖。(f)元素映射。

圖2 XPS譜圖:(a) Bi 4f, (b) Ti 2p和Bi 4d, (c) W 4f。

圖3 (a)1小時(shí)反應(yīng)下的產(chǎn)率對(duì)比圖。(b)各種催化劑可見(jiàn)光光氧化BA的催化活性對(duì)比圖。Bi₂WO₆和TC-WB復(fù)合材料在開(kāi)/關(guān)循環(huán)下的瞬態(tài)光電流譜(c)和電化學(xué)阻抗譜(EIS) Nyquist圖(d)。(e)活性物種捕獲實(shí)驗(yàn)。

圖4 MXene(a、c)和Bi₂WO₆(b、d)的投影能帶結(jié)構(gòu)和密度。(e)由少量Bi₂Ti₂O₇與MXene和Bi₂WO₆連接組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電荷密度差。(f) TC-WB異質(zhì)結(jié)構(gòu)的平面平均電荷密度。

圖5 BA在TC-WB復(fù)合材料上的光氧化機(jī)理及光生電荷轉(zhuǎn)移示意圖。

李杲：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師。2015年獲得國(guó)家專項(xiàng)人才計(jì)劃青年項(xiàng)目資助。2011年于上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院獲博士學(xué)位，同年進(jìn)入美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）從事博士后研究。2014年加入中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所。主要從事表界面催化反應(yīng)基礎(chǔ)研究，特別是利用金屬原子簇（0.6-3 nm）調(diào)控界面結(jié)構(gòu)及顆粒尺寸，在原子/分子層次理解其構(gòu)效關(guān)系及催化機(jī)制。在Chem. Rev.,Acc. Chem. Res., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed.,J. Am. Chem. Soc.,Nano Res. ACS Catal.,等期刊上發(fā)表150余篇學(xué)術(shù)論文，引用>8000次；獲得專利18項(xiàng)；參與編寫(xiě)中英文專著總共五章節(jié)。Website: https://www.researchgate.net/profile/Gao_Li3/publications/ or https://www.x-mol.com/groups/li_gao

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Li Z, Xu L, Babar ZUD, et al. Fabrication of MXene-Bi₂WO₆ heterojunction by Bi₂Ti₂O₇ hinge for extraordinary LED-light-driven photocatalytic performance. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6408-1.