导读

太阳能以其取之不尽、用之不竭、清洁可再生等特点，有望成为化石燃料的替代能源之一，半导体光催化因其成功将太阳能转化为所需的化学能而引起了研究者大的兴趣。光催化制氢是将太阳能转化为化学能的至重要途径之一，而其关键技术在于开发有效、高稳定性、低成本的光催化剂。

基于此，复旦大学戴维林教授课题组设计了一种CdSe纳米棒@Ti3C2 MXene纳米片复合光催化剂，并结合SPM（扫描探针显微镜）及原位光照XPS（X射线光电子能谱）结果进行相关机理探讨，为进一步开发有效稳定的光催化体系提供了研究思路。岛津分析中心参与该项研究工作，相关合作成果发表于光催化领域国际知名SCI期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（IF=24.3）上。

图1. 期刊首页截图

图2. 摘要译文

研究内容概览

CdSe（硒化镉）因其合适的带隙、在可见光区的强吸收和高化学稳定性而备受关注，然而由于光生载流子的快速复合，单独使用CdSe的产氢性能仍然不能令人满意。Ti3C2 MXene作为一种新型二维材料，具有独特的结构以及良好的物理化学性能，与合适的窄禁带半导体复合可以获得可见光催化活性并促进光生载流子的分离。

XPS&SPM携手，探明电子转移机理

本研究工作利用原位水热技术构建了由Ti3C2 MXene纳米片（采用岛津SPM测定得到的片层厚度为~1.45 nm，见图3）和CdSe纳米棒组成的二元异质结，通过光催化产氢活性测试发现，在可见光下，CdSe-Ti3C2 MXene（以下简称CdSe-MX）的至佳氢生成活性比原始CdSe高近六倍。

图3. Ti3C2 MXene纳米片片层厚度测定

图4. 岛津AXIS Supra+仪器及SPM-9700HT

图5给出了CdSe-MX复合材料与纯CdSe的各元素高分辨XPS谱图，较于纯物质，复合后结合能的移动可反映出复合材料之间存在电子转移作用，一般失去电子的一方结合能升高，反之降低。图5（a、d）中，与纯MXene相比，CdSe-MX的C 1s中归属于C-Ti峰的结合能以及Ti 2p中Ti-C 2p3/2的结合能位置均降低；相应地，与纯CdSe相比，CdSe-MX的Se 3d5/2结合能以及Cd 3d5/2结合能位置均升高。以上结果表明CdSe-MX复合材料中电子由CdSe转移至Ti3C2 MXene表面。进一步地，采用岛津SPM获得了CdSe-MX的原子力显微镜图像和相应的表面电位分布（图6）。CdSe富集区域的较高电势表明失去电子的趋势更大，进一步表明电子转移是从CdSe到MXene。

图5. CdSe-MX复合材料与纯CdSe的(a) C 1s、(b) Cd 3d、(c) Se 3d、(d) Ti 2p  高分辨率XPS谱图

图6. CdSe-MX的原子力显微镜图像和相应的表面电位分布

由于真实反应体系在光照下进行，故进一步采用原位光照XPS用于探索CdSe和Ti3C2 MXene之间的电荷转移，结果见下图7。与黑暗条件相比，Cd 3d的结合能在光照射下正向移动0.4 eV，Se 3d 峰的结合能在光照条件下也正向移动0.3 eV。同时，Ti 2p 峰的结合能在可见光照射下负向移动0.2 eV。这一发现证明了在原位光照条件下，电子进一步从CdSe转移到MXene。

图7. 原位光照前后CdSe-MX的Cd 3d (a)、Se 3d (b) 和Ti 2p (c)的高分辨率XPS谱图

客户心声

复旦大学 戴维林教授

复旦大学化学系戴维林教授表示：采用XPS与SPM技术联合成功证明了复合材料中的电子转移方向，为本篇文章的机理研究提供了有理论据。此外传统的非原位表征手段，只能体现催化剂反应前与反应后的状态，原位表征在催化反应中逐渐成为不可或缺的表征手段，原位光照XPS的引入更能体现反应状态下的材料特征，期望后续能够与岛津有更多关于原位表征的合作。