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1、简介
光电化学（PEC）将水分解为O2和H2被认为是将太阳能转化为清洁燃料的最有前景的技术之一 。 然而 ， 与双电子析氢反应（HER）相比 ， 水氧化为氧的过程遵循四电子途径 ， 生成四种中间物种 ， 这是水裂解反应的限速步骤 ， 因为反应势垒更大 ， 过程更复杂 。 为了提高PEC的水分解性能 ， 开发出高效的光负极材料 ， 包括TiO2、WO3、α-Fe2O3、CdS、BiVO4等 。 其中 ， 钒酸铋（BiVO4）由于具有合适的带隙（约2.4eV）和合适的带位 ， 被广泛用作光负极材料 。 据报道 ， BiVO4的理论光电流密度（Jmax）为7.5 mA-cm?2在AM 1.5 G照明下 ， 相当于太阳能到氢气（STH）的转换效率为9.2% 。 然而 ， 大多数原始BiVO4光负极的实际光电流密度远低于理论值 ， 这归因于低载流子迁移率（0.044 cm2 V）导致的严重的体载流子和表面载流子复合?1秒?1）空穴扩散长度（70 nm） 。 因此 ， 有望通过增强BiVO4光负极的载流子迁移和分离来改善水氧化性能 。
对共催化剂或覆盖层进行表面改性可以减少表面光载流子的复合 ， 促进载流子迁移动力学 ， 延缓光腐蚀 。 在光负极表面修饰的氢氧化物（FeOOH、NiOOH）、磷酸钴（Co-Pi）、金属氧化物（NiFeOx、Co3O4、IrO2）或层状双氢氧化物（LDH）可增强析氧反应（OER）活性 。 作为空穴存储层 ， 负载在光负极上的铁酸盐（Fh）可以显著改善PEC性能 ， 包括Ta3N5、BiVO4、α-Fe2O3等 。 Fh中与结晶水相连的八面体配位[FeO6
结构单元同时提取和存储光吸收层中的光生空穴 ， 从而大大改善了载流子分离 。 然而 ， 由于Fh层的载流子转移能力较差 ， 存储在Fh层中的空穴很难立即转移到电解质中进行水氧化 ， 这可能导致Fh层中光载流子的复合 ， 导致水氧化动力学缓慢 。 因此 ， 在半导体上构建具有最高载流子传输能力的空穴存储层是提高PEC水分解性能的有效途径 。
由于其独特的电子特性 ， 石墨烯等二维材料通常作为中间层或缓冲层插入以加速电荷迁移 。 在石墨烯中 ， 电荷载流子可以定义为具有极高迁移率（>10000 cm2 V）的无质量狄拉克费米子?1秒?1）由于原子薄二维层中的量子限制效应 。 近年来 ， 一类新的二维金属碳化物、氮化物或碳氮化物（MXene）引起了人们的极大兴趣 ， 在光催化和电催化领域显示出巨大的潜力 。 与石墨烯相比 ， MXene不仅由于亲水基团众多 ， 更容易与半导体结合 ， 而且由于过渡金属碳化物或氮化物主链的自由电子 ， 具有更高的金属电导率 。 然而 ， 在大多数情况下 ， MXene通过旋涂或浸渍的方法逐层加载在半导体上 ， 形成复杂的多界面 ， 由于这些界面之间的晶格或能带水平不匹配 ， 严重阻碍了电荷转移 。 另一方面 ， 层层负载在半导体上的MXene只改变了界面层的化学/物理性质 ， 而没有均匀地改善催化性能 。 目前 ， 在光伏领域 ， mxen被用作添加剂来修饰钙钛矿的电子结构 ， 这不仅可以增大晶粒尺寸 ， 而且可以加速电子通过晶界的转移 。 这为MXene在光电子领域的应用 ， 尤其是在PEC水裂解领域 ， 开辟了新的机会 。
基于上述研究背景和假设 ， 新型光负极(BiVO4@Fh-MXene）是通过应用MXene（Ti3C2）作为添加剂来调节功函数和电导率而构建的 。 在组合中BiVO4@Fh-MXene、BiVO4和Fh-MXene分别作为光负极的光吸收层和空穴传输层 。 具有较高功函数的Fh-MXene增强了BiVO4/Fh-MXene肖特基结的内建电场 ， 有利于在BiVO4价带中提取光激发空穴 。 此外 ， 光生载流子在BiVO4@Fh-由于Fh-MXene的高电子电导率 ， MXene显著增强 。 储存在Fh-MXene层中的孔可以立即注入电解液中进行水氧化 。 许多具有强氧化还原活性和亲水官能团的末端金属位点暴露在BiVO4@Fh-MXene ， 也促进了光负极的表面反应 。 因此BiVO4@Fh-MXene光负极实现了4.55 mA cm的高光电流密度?2在1.23 VRHE下 ， 这是裸BiVO4电极（0.89 mA cm）的五倍?2）而起始电位（0.31 V）比裸BiVO4（0.56 V）低250 mV 。 综上所述 ， 本工作不仅为在光电极上构建高效的电荷传输层提供了新的思路 ， 而且拓展了MXene在PEC水裂解中的应用 。
2、实验性
2.1.材料
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