新大Nano Letters: 构建MXene/Bi2WO6肖特基结，实现高效压电催化HER

由于氢的高能量密度、可储存性和可运输性，其是传统化石能源最有希望的替代者。在各种可持续制氢的各种策略中，压电催化已经成为一种有前途的、低成本和直接的方法。这个过程涉及到压电效应和电化学反应之间的有效耦合作用，使机械能转化为化学能。尽管在这一领域已经取得了重大进展，但是仍然存在一些挑战，如低活性的催化位点、低效的载流子分离和传输，以及较高的产H₂反应能垒。因此，开发高效的压电催化剂和提高压电催化性能的策略对压电催化技术的实际应用至关重要。

理论上，层状Ti₃C₂可以作为Bi₂WO₆纳米片结构的载体，其中Ti₃C₂的功函数和压电性能可以通过表面端基进行调节，使其与Bi₂WO₆形成肖特基结，从而提高催化性能。基于此，新疆大学贾殿赠和郝爱泽等构建了一系列MXene (Ti₃C₂T_x)/Bi₂WO₆肖特基结压电催化剂，并对其压电催化产氢活性进行了研究。得益于肖特基结、助催化剂和极化压电场的协同作用，优化后的Ti₃C₂T_x/Bi₂WO₆催化剂能够显著提高电荷转移和载流子分离效率，促进定向电荷转移通道的形成，并诱导更多的活性位。

因此，最优的TCBW-5压电催化析氢速率为764.4 μmol g⁻¹ h⁻¹，分别比纯Ti₃C₂T_x和Bi₂WO₆提高了近8倍和2倍。此外，TCBW-5在第四个循环反应后H₂析出量略有下降，反应后材料的形貌和结构几乎未发生变化，表现出优异的稳定性。

结合实验和理论结算，研究人员提出了Ti₃C₂T_x/Bi₂WO₆肖特基结上的压电催化析氢机制：当Bi₂WO₆和Ti₃C₂T_x接触时，基于功函数的差异，电子从Bi₂WO₆向Ti₃C₂T_x迁移，在Ti₃C₂T_x/Bi₂WO₆界面形成肖特基势垒；当催化剂系统受到超声振动时，空化泡的溃灭和脉动可以产生瞬时高应变，为Ti₃C₂T_x/Bi₂WO₆的氧化还原反应提供强大的驱动力。同时，Bi₂WO₆价带中的自由电子被激发到导带；由于Ti₃C₂T_x良好的电学性质，压电产生的电子更倾向于从Bi₂WO₆转移到Ti₃C₂T_x表面。

由于压电效应，超声振动引起的极化电荷不断增加，导致能带倾斜，促进了电子-空穴对在Bi₂WO₆中相反方向的迁移，从而在Ti₃C₂T_x/Bi₂WO₆体系中建立了压电场，产生了较高的压电势(这种压电势伴随着负极化电荷向正极化电荷的排列)。相应的束缚电荷被吸引到材料表面的过剩极化电荷区，电子在Ti₃C₂T_x上的积累，加上过量的负极化电荷，可以进一步还原H⁺生成H₂，从而提高压电催化析氢活性。