Engineering MXenes charge bridge enables fast carrier transport in S-scheme heterojunctions for enhanced photocatalytic H₂ production

光催化分解水是实现太阳能直接转化为氢能的有前景途径，为应对能源危机、推动可持续发展提供了可行方案。该技术的性能从根本上取决于高效半导体光催化剂的设计。理想的光催化剂应具备宽光谱光吸收能力、快速的光生电荷载流子分离与传输能力，以及高效的表面氧化还原反应活性。然而，单一组分光催化剂常受限于自身固有缺陷，如电荷快速复合、光谱响应范围窄以及氧化还原能力不足等。

为克服这些挑战，构建异质结已成为整合互补半导体、增强电荷分离的关键策略。传统Ⅱ型异质结虽能促进电荷的空间分离，但会以降低氧化还原电位为代价，因为载流子会迁移至氧化还原能力较弱的能带。这种固有矛盾促使人们探索替代性电荷分离机制。2019年，余等提出了S型异质结概念，该结构利用还原型光催化剂（RP）与氧化型光催化剂（OP）界面处的内建电场（IEF），引导RP中低活性电子与OP中低活性空穴复合。这种构型在各自组分中保留了高氧化还原活性的电子和空穴，实现了有效电荷分离且未牺牲氧化还原电位。然而，在典型S型体系中，RP与OP的直接物理接触常导致界面缺陷、能带错配及接触不充分，进而引发电荷转移迟缓、复合效率低下等问题。因此，在RP与OP之间引入电子介导层或桥梁，对重构和优化界面电荷转移路径至关重要。

异质结界面作为电荷分离与转移的核心枢纽，对复合效率具有决定性影响。近期研究强调了通过晶格匹配、化学键合及结构优化等策略实现精准界面工程的重要性。引入第三组分作为电子介导层或缓冲层，可优化界面结构并建立定向电子转移通道。例如，在MoS₂/Co₃O₄ S型异质结中集成还原氧化石墨烯作为电子桥梁，已被证实可改善电荷传输。尽管取得这些进展，此类体系仍常面临界面电荷转移动力学不理想的问题。

过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）凭借其金属导电性和丰富的表面官能团，已成为界面调控的变革性平台。MXenes作为高效电子介导层，可作为电子提取与传输的“高速轨道”，显著增强电荷分离。利用这些特性，研究者开始将MXenes整合至S型异质结中。例如，王等构建了TiO₂/MXene/g-C₃N₄三明治结构，证实MXene夹层可显著提升界面电荷分离效率。这些发现证实，基于MXenes的电子桥梁是实现S型异质结精准界面工程的有效途径。尽管前景广阔，该领域仍处于起步阶段，S型异质结中显著提升光催化活性的实例仍较为匮乏。构建具有精心设计界面桥梁的高效S型体系，并精确阐明其电荷转移路径，对于理解底层分离动力学至关重要。

本研究通过在g-C₃N₄（CN）与ZnIn₂S₄（ZIS）之间引入V₂C MXene作为电荷桥梁，构建了三元g-C₃N₄/V₂C/ZnIn₂S₄（CN/V₂C/ZIS）S型异质结。得益于V₂C层优异的导电性和丰富的表面功能基团，其作为“电子高速通道”，引导光生电子从ZnIn₂S₄向g-C₃N₄定向迁移，显著加速界面电荷转移，同时维持强氧化还原电位（图1a）。通过原位光谱分析、密度泛函理论（DFT）模拟及飞秒瞬态吸收（fs-TA）光谱测量，我们揭示了V₂C在重构界面电荷转移路径、降低光催化析氢能垒中的作用。本研究不仅展示了氢气析出速率高达21.92 mmol·g⁻¹·h⁻¹的高效光催化体系，更深入阐释了S型异质结中电子桥梁效应的电子机制，为通过精准界面工程设计高性能异质结光催化剂提供了通用策略。

图1 载流子迁移路径示意图和形貌表征

图2 结构、组成和能带表征

图3 光解水制氢性能、光吸收能力和载流子分离转移表征

图4 催化机理研究

图5 载流子传输动力学

综上所述，本研究通过多步制备策略成功构建了具有V₂C电子桥梁的理性设计型CN/V₂C/ZIS S型异质结。V₂C的金属导电性及界面调控能力显著增强了电子提取与传输效率，同时完整保留了各半导体组分的高氧化还原活性。结构表征与光学分析证实，引入V₂C后体系的光吸收能力及表面亲水性均得到提升。密度泛函理论（DFT）模拟表明，CN的氮位点处发生有利电荷再分布，且析氢吉布斯自由能变（ΔG_H*）显著优化。此外，飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）与原位光谱技术揭示了V₂C介导的额外电子转移路径，该路径可加速载流子迁移并抑制复合过程。最终，CN/V₂C/ZIS异质结展现出卓越的光催化制氢性能：氢气析出速率达21.92 mmol·g⁻¹·h⁻¹，365 nm波长下的表观量子效率（AQE）为19.43%。本研究深入揭示了MXene在S型异质结中作为电子桥梁的作用机制，为通过精准界面工程设计高性能光催化体系提供了可行策略。

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