光催化水裂解有望实现大规模和可持续的太阳能产氢。最早使用的半导体材料产氢活性不高，近年来发展的Pt系共催化剂有效提高了光催化剂的产氢活性和稳定性，但是成本较高。因此，开发高活性、储量丰富、低成本的共催化剂来实现清洁可持续的产氢是一项光荣且急迫的任务！

图1.PEC光解水产氢示意图

目前来说，高活性、储量丰富、低成本的共催化剂至少还存在以下几个问题：

1）共催化剂表面和光催化剂表面难以建立强相关作用，不利于界面电荷传递和长期稳定性。

2）共催化剂导电性较差或者π共轭体系破坏，导致内部电子穿梭效率不高。

3）吉布斯自由能不利于析氢。

4）亲水功能性不足，导致与水分子接触不够。

5）稳定性不够，有时需要在非水环境中。

图2. Ti₃C₂的DFT计算

   MXene，作为一类全新的二维材料（金属碳化物、氮化物、碳氮化物的总称），在解决上述问题中表现出极大的潜力：

    1）MXenen表面含有大量-OH和-O，可与多种半导体表面建立强相关作用。

2）良好的导电性有助于电荷-载流子高效传递。

3）终端暴露的金属位点使得MXene可能比碳材料具有更强的氧化还原活性。

4）良好的亲水性确保和水分子的充分接触。

5）可以在水中稳定存在。

有鉴于此，乔世璋课题组通过DFT理论计算指导合成了一种具有高效共催化性能的MXene材料：Ti₃C₂纳米颗粒。

图3. Ti₃C₂纳米颗粒的表征

研究人员通过水热法将Ti₃C₂纳米颗粒集成到吸光材料CdS表面，实现了活性高达14342 μmol h^-1 g^-1的可见光催化产氢，在420 nm处表观量子效率为40.1%。同时，该策略也成功地拓展到了ZnS 或Zn_xCd_1−xS等其他光催化剂体系中。

图4. 产氢性能

研究人员认为，高活性来源于更有利的费米能级、导电性和Ti₃C₂纳米颗粒优异析氢性能的综合效果。

这项研究成果可能是首次将MXenen作为共催化剂引入到光解水产氢体系中，证明了MXene在取代Pt，构建低成本、高性能光电极或者光催化剂方面的巨大潜力。

图5. 产氢机理

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Jingrun Ran, Shi-Zhang Qiao et al. Ti3C2 MXene co-catalyst on metal sulfide photo-absorbers for enhanced visible-light photocatalytic hydrogen production. Nature Communications 2017, 8, 13907.