由于氫的高能量密度、可儲(chǔ)存性和可運(yùn)輸性，其是傳統(tǒng)化石能源最有希望的替代者。在各種可持續(xù)制氫的各種策略中，壓電催化已經(jīng)成為一種有前途的、低成本和直接的方法。這個(gè)過(guò)程涉及到壓電效應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)之間的有效耦合作用，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。盡管在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但是仍然存在一些挑戰(zhàn)，如低活性的催化位點(diǎn)、低效的載流子分離和傳輸，以及較高的產(chǎn)H2反應(yīng)能壘。因此，開(kāi)發(fā)高效的壓電催化劑和提高壓電催化性能的策略對(duì)壓電催化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。
理論上，層狀Ti3C2可以作為Bi2WO6納米片結(jié)構(gòu)的載體，其中Ti3C2的功函數(shù)和壓電性能可以通過(guò)表面端基進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與Bi2WO6形成肖特基結(jié)，從而提高催化性能?；诖?，新疆大學(xué)賈殿贈(zèng)和郝愛(ài)澤等構(gòu)建了一系列MXene (Ti3C2Tx)/Bi2WO6肖特基結(jié)壓電催化劑，并對(duì)其壓電催化產(chǎn)氫活性進(jìn)行了研究。得益于肖特基結(jié)、助催化劑和極化壓電場(chǎng)的協(xié)同作用，優(yōu)化后的Ti3C2Tx/Bi2WO6催化劑能夠顯著提高電荷轉(zhuǎn)移和載流子分離效率，促進(jìn)定向電荷轉(zhuǎn)移通道的形成，并誘導(dǎo)更多的活性位。
因此，最優(yōu)的TCBW-5壓電催化析氫速率為764.4 μmol g?1 h?1，分別比純Ti3C2Tx和Bi2WO6提高了近8倍和2倍。此外，TCBW-5在第四個(gè)循環(huán)反應(yīng)后H2析出量略有下降，反應(yīng)后材料的形貌和結(jié)構(gòu)幾乎未發(fā)生變化，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。
結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)算，研究人員提出了Ti3C2Tx/Bi2WO6肖特基結(jié)上的壓電催化析氫機(jī)制：當(dāng)Bi2WO6和Ti3C2Tx接觸時(shí)，基于功函數(shù)的差異，電子從Bi2WO6向Ti3C2Tx遷移，在Ti3C2Tx/Bi2WO6界面形成肖特基勢(shì)壘；當(dāng)催化劑系統(tǒng)受到超聲振動(dòng)時(shí)，空化泡的潰滅和脈動(dòng)可以產(chǎn)生瞬時(shí)高應(yīng)變，為Ti3C2Tx/Bi2WO6的氧化還原反應(yīng)提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，Bi2WO6價(jià)帶中的自由電子被激發(fā)到導(dǎo)帶；由于Ti3C2Tx良好的電學(xué)性質(zhì)，壓電產(chǎn)生的電子更傾向于從Bi2WO6轉(zhuǎn)移到Ti3C2Tx表面。
由于壓電效應(yīng)，超聲振動(dòng)引起的極化電荷不斷增加，導(dǎo)致能帶傾斜，促進(jìn)了電子-空穴對(duì)在Bi2WO6中相反方向的遷移，從而在Ti3C2Tx/Bi2WO6體系中建立了壓電場(chǎng)，產(chǎn)生了較高的壓電勢(shì)(這種壓電勢(shì)伴隨著負(fù)極化電荷向正極化電荷的排列)。相應(yīng)的束縛電荷被吸引到材料表面的過(guò)剩極化電荷區(qū)，電子在Ti3C2Tx上的積累，加上過(guò)量的負(fù)極化電荷，可以進(jìn)一步還原H+生成H2，從而提高壓電催化析氫活性。
