二维材料以其丰富多样的性能受到广泛关注。该类材料具有极高的比表面积, 可以作为光催化剂和电催化剂, 在环境领域和可再生能源领域具有较大的开发和应用前景。本文综述了三种新型二维材料的结构性能, 即二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)、类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)以及黑磷(BP)在光催化或电催化领域的研究进展及改性方式; 对二维材料催化性能的改性进行了总结, 并展望了今后的研究方向。

Fe-N/C催化剂在氧还原反应中的作用机理对于开发高效、可持续使用的非贵金属催化剂在聚合物电解质膜燃料电池中的应用至关重要, 但目前仍存在很多的难以攻克的问题。为了揭示纳米结构与电化学活性的关系, 本研究开发了一种具有高电化学活性的Fe-N/C氧还原催化剂, 该催化剂含有Fe-N_x位点和被氮掺杂的碳纳米管包裹的Fe/Fe₃C纳米晶体两种具有氧还原反应电化学活性的纳米结构。尽管不含贵金属铂, 本研究合成的Fe-N/C催化剂在碱性条件下仍显示出较高的ORR活性, 半波电势为0.86 V(vs RHE), 质量活性为18.84 A/g(0.77 V(vs RHE), 极限电流密度为-4.3 mA·cm ^-2。同时, 电子转移数为3.7(0.2 V(vs RHE), 说明Fe-N/C催化剂中4电子ORR反应的比例较高。石墨烯包覆的金属Fe/Fe₃C纳米晶生长N-CNTs后, 材料的导电性有所提高, 并且Fe-N_x活性位点在Fe/Fe₃C纳米颗粒表面分布均匀, 改善了材料的电化学活性。本研究为非贵金属氧还原电催化剂的继续深入研究以及广泛应用于商业化生产提供了一定的借鉴和依据。

本研究采用两步法制备了电子助剂Ag和界面活性位点Ag₂O共修饰的高效TiO₂光催化剂(TiO₂/Ag-Ag₂O): 首先用光沉积法将Ag负载在TiO₂表面(TiO₂/Ag), 再经过低温煅烧法使部分Ag原位生成Ag₂O。紫外光照射TiO₂时, 激发产生的电子被助剂Ag捕获后快速传输到Ag₂O上, 电子把Ag₂O界面产氢活性位点从溶液中所捕获的氢离子还原成氢气, Ag和Ag₂O的协同作用加快了TiO₂上光生电子的转移和界面产氢反应, 从而提高了TiO₂/Ag-Ag₂O制氢性能。在300 ℃煅烧温度下制备的TiO₂/Ag-Ag₂O光催化剂制氢速率最高, 达到75.20 μmol/h, 分别是TiO₂(3.59 μmol/h)和TiO₂/Ag(41.13 μmol/h)的21.0倍和1.8倍。本研究为光催化制氢材料的设计和制备提供了有益的参考。

开发高效廉价的催化剂对于清洁能源经济至关重要, 将氨硼烷的催化水解用于氢能源开发前景广阔。本工作首先采用简单回流法制备BiVO₄纳米片, 再通过浸渍还原法制备出Ru/Fe不同摩尔比的RuFe@BiVO₄催化剂, 并在室温下用于催化氨硼烷水解产氢。通过比较载体BiVO₄、Ru@BiVO₄、Fe@BiVO₄、RuFe@BiVO₄以及无载体的RuFe纳米粒子的催化产氢速率发现, 在所有的催化剂中, Ru₁Fe_0.1@BiVO₄具有最高的催化活性, 非贵金属Fe能显著增强Ru的催化性能, 这与RuFe之间强的电子效应以及RuFe纳米粒子与载体BiVO₄间的双功能效应密切相关, 其活化能(E_a)为43.7 kJ·mol^-1, 转化频率(TOF)为205.4 mol_H2·mol_Ru·min^-1。

以镍网(NM, Nickel Mesh)为基体、NaH₂PO₂·H₂O为磷源、CuSO₄·5H₂O为铜源、NiSO₄·6H₂O为镍源, 采用一步水热法合成镍铜磷复合电催化剂, 对制备工艺进行优化, 并通过不同方法进行形貌、结构、组成和电催化性能表征。结果表明：当溶液中镍、铜、磷的配比为8: 1 :20时, 在140 ℃水热合成24 h, 制得主晶相为Ni₂P和Cu₃P、具有三级微纳结构的镍铜磷复合电催化剂。在电流密度为10 mA·cm ^-2时, NiCuP/NM的催化析氢及肼氧化过电势分别为165和49 mV; 在双电极体系中, 同电流密度下的分解槽压仅为0.750 V, 催化24 h后分解槽压几乎保持不变, 展现出优异的催化稳定性。无论三电极体系还是双电极体系均表现出优异的催化活性。分析认为, 电催化活性面积为空白镍网的近14倍, 为电催化过程提供了大量的活性位点; 掺入P改变了Ni、Cu原子的电子结构, 提高了材料的本征肼氧化活性, 两者的协同作用促进了电催化活性的提升。本研究为纳米尺度的合成提供了一个新的视角, 有望推动新型纳米孔结构材料在燃料电池和传感器应用中的发展。

为研究热处理过程与异质结构筑对WO₃的光电化学效应的影响机制, 采用低温溶剂热法制备纳米花状WO₃, 通过热处理精确调控WO₃纳米花的活性晶面、晶粒尺寸及结晶度。进一步借助循环化学浴法, 构筑WO₃/CdS/α-S异质结, 并研究其光电化学性能与浓度效应。结果表明, (200)晶面是WO₃纳米花的主要暴露晶面, 且比例随热处理温度升高而增大。350 ℃热处理的WO₃纳米花表现出最高的光响应电流。通过构筑WO₃/CdS/α-S梯形异质结, 增强材料在可见光区的吸收, 以牺牲少部分载流子的方式提高整体光生载流子的分离效率, 促进WO₃的宏观光电化学效应的提升。

通过模板法制备钒酸铋(BiVO₄)薄膜, 用溶胶-凝胶法制备铁电材料铁酸铋(BiFeO₃)并对BiVO₄进行修饰, 以半导体复合的方式提高BiVO₄的光电化学性能。电化学测试结果表明, 经BiFeO₃修饰后, BiVO₄薄膜的光电化学性能有所提高, 其中经BiFeO₃旋涂5次后的BiVO₄薄膜具有最优的光电化学性能, 光电流密度达到0.72 mA·cm^-2, 较未修饰样品提高了67.4%。利用外场极化调节能带弯曲可以显著地提高BiVO₄/nBiFeO₃铁电复合物的光电化学性能, 复合物经正极化20 V电压处理后的光电流密度最高为0.91 mA·cm^-2, 比BiVO₄薄膜提升了1倍以上, 具有良好的光电化学性能。BiFeO₃与BiVO₄复合后有利于形成异质结, 促进光生电子、光生空穴的产生与分离, 并且外场极化调节能带弯曲使光生电荷加速转移, 是铁电复合物光电化学性能提高的主要原因。