【DFT+实验】李杲团队：通过Bi₂Ti₂O₇铰链构筑MXene-Bi₂WO₆异质结构提升LED光驱动苯甲醇光氧化

近年来，Ti₃C₂MXene因其出色的结构稳定性、丰富的表面修饰和高效的导电性而成为著名的二维光催化纳米材料。值得注意的是，当MXene与其他光催化剂（例如金属氧化物、金属硫化物和g-C₃N₄）结合时，其光催化活性进一步提高。Bi₂WO₆是一种无毒的Aurvillius氧化物，具有层状结构，由钙钛矿状的(WO₄)^2-和(Bi₂O₂)²⁺片层组成，表现出强氧化能力和可见光响应。然而，Bi₂WO₆很难从水相反应体系中分离出来，从而阻碍了其可重复使用性和可回收性，甚至进一步限制了其实际应用。因此，将Bi₂WO₆与其他纳米材料（例如MXene）集成起来，对于提高光催化剂的可回收性至关重要。而异质结构具有大接触面积的单层或双层，为光生载流子提供了短的扩散距离，从而产生优越的催化活性。然而，由于其相对松散的结构以及π-π和π-π堆积作用，这种异质结构复合材料的催化活性无法进一步提高。因此，设计和开发具有紧密界面的异质结构复合材料，以进一步缩短扩散距离并改善其光催化活性仍然是一项具有挑战性的任务。

本研究中，我们通过MXene与Bi(NO₃)₃盐反应形成了Bi₂Ti₂O₇物种，在MXene表面生成原位的钛阳离子缺陷，促进了光催化氧化反应。另外，Bi₂Ti₂O₇物种也可以作为催化剂，在热条件下通过Na₂WO₄和Bi(NO₃)₃溶液中的原位生长，从而从Bi₂Ti₂O₇物种中产生Bi₂WO₆纳米片，形成具有紧密界面的MXene-Bi₂WO₆异质结构。由Bi₂Ti₂O₇铰链连接的MXene-Bi₂WO₆（TC-BW）异质结构在LED光驱动光催化苄醇氧化反应中表现出5.0 mmol PhCHO g_cat^-1 h^-1的优异产量。在此，我们开发了一种水热生长策略，制备了具有紧密界面接触的超薄MXene-Bi₂WO₆异质结构，为光生空穴和电子创造了短的扩散长度，从而提高了催化性能。

图1 (a) TC-WB复合材料合成路线示意图。(b) XRD，(c)拉曼，(d)STEM图。(e)放大的STEM图。(f)元素映射。

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

图3 (a)1小时反应下的产率对比图。(b)各种催化剂可见光光氧化BA的催化活性对比图。Bi₂WO₆和TC-WB复合材料在开/关循环下的瞬态光电流谱(c)和电化学阻抗谱(EIS) Nyquist图(d)。(e)活性物种捕获实验。

图4 MXene(a、c)和Bi₂WO₆(b、d)的投影能带结构和密度。(e)由少量Bi₂Ti₂O₇与MXene和Bi₂WO₆连接组成的异质结构的电荷密度差。(f) TC-WB异质结构的平面平均电荷密度。

图5 BA在TC-WB复合材料上的光氧化机理及光生电荷转移示意图。

李杲：中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。2015年获得国家专项人才计划青年项目资助。2011年于上海交通大学化学化工学院获博士学位，同年进入美国卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）从事博士后研究。2014年加入中国科学院大连化学物理研究所。主要从事表界面催化反应基础研究，特别是利用金属原子簇（0.6-3 nm）调控界面结构及颗粒尺寸，在原子/分子层次理解其构效关系及催化机制。在Chem. Rev.,Acc. Chem. Res., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed.,J. Am. Chem. Soc.,Nano Res. ACS Catal.,等期刊上发表150余篇学术论文，引用>8000次；获得专利18项；参与编写中英文专著总共五章节。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.