Heterosambilan 2D/2D Skema R Ti3C2 MXene/MoS2: Perkembangan Efisiensi Fotokatalitik

Abstrak

Kombinasi material dua dimensi (2D) dan semiconductorn dianggap sebagai cara yang efektif untuk memproduksi fotokatalis untuk menyelesaikan pencemaran lingkungan dan krisis energi. Dalam karya ini, heterosambilan 2D/2D skema R baru dari lembar nanon Ti₃C₂ MXene/MoS₂ berhasil disintesis melalui reaksi hidrotermal. Aktivitas fotokatalitik komposit Ti₃C₂ MXene/MoS₂ dievaluasi melalui degradasi fotokatalitik dan reaksi evolusi hidrogen. Khususnya, sampel Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 0,5 wt% menunjukkan degradasi metil oranye (MO) optimum dan laju evolusi H₂ masing-masing sebesar 97,4% dan 380,2 μmol h⁻¹ g⁻¹, yang dikaitkan dengan kemampuan penyerapan optik yang ditingkatkan dan luas permukaan spesifik yang meningkat. Selain itu, Ti₃C₂ MXene yang dikombinasikan dengan lembar nanon MoS₂ mendukung peningkatan respons arus foton dan penurunan impedansi elektrokimia, yang mengarah pada transfer elektron yang ditingkatkan dari semiconductorn yang diangsangkan dan penahan rekombinasi muatan. Karya ini menunjukkan bahwa Ti₃C₂ MXene dapat menjadi pembawa yang menjanjikan untuk membangun heterosambilan 2D/2D dalam degradasi fotokatalitik dan reaksi evolusi hidrogen.

Pendahuluan

Dalam beberapa tahun terakhir, Ilmu dan Teknologi Industri berkembang secara signifikan, sementara masalah lingkungan dan krisis energi menjadi semakin serius [1,2,3,4]. Penerapan signifikan titanium oksida (TiO₂) untuk pembentukan air telah dilaporkan sejak 1972 [5]. Para peneliti telah bekerja untuk memperluas respons komposit berbasis TiO₂ ke wilayah cahaya terlihat dan menjelajahi semiconductorn jarak sempit untuk menangani pencemaran lingkungan dan krisis energi dengan lebih baik [6,7,8,9,10,11,12].

Katalis semiconductorn sulfida logam dianggap sebagai pembawa penting untuk menyelesaikan pencemaran lingkungan dan krisis energi karena jarak sempit, toksisitas rendah, dan kemampuan katalitik yang baik [13, 14]. Jarak relatif sempit (Eg = 1,8 eV), properti optik unik, dan struktur berlapis lembar nanon MoS₂ telah menarik perhatian yang semakin besar [15,16,17,18]. MoS₂ telah dikombinasikan dengan beberapa material dua dimensi (2D) dan semiconductorn, seperti TiO₂ [19], oksida grafen (GO) [20], g-C₃N₄ [21], SnO₂ [12], Bi₂WO₆ [22], Bi₂O₂CO₃ [23], dan CdS [24], untuk meningkatkan efisiensi degradasi fotokatalitik dan produksi hidrogen. Terbukti bahwa konsentrasi metil oranye (MO) yang lebih tinggi (30 mg/L) polutan organik dapat terdegradasi dalam 60 menit di bawah sinar cahaya terlihat oleh komposit nanon MoS₂/CdS [24].

Sejak laporan awal pada tahun 2011, MXenes, sebagai anggota keluarga material dua dimensi, telah menarik perhatian luas dari para peneliti [25,26,27]. MXenes dapat disiapkan dari fase MAX dengan melapis lapisan A dengan HF atau HCl/LiF, yang memiliki properti elektrokimia yang baik, stabilitas kimia, dan banyak fungsionalitas hidrofilik pada permukaan (-OH/-O) [28,29,30]. Ti₃C₂ MXene yang paling populer dapat diperoleh dengan mengeksfoliasikan Ti₃AlC₂ dengan asam kuat [31]. Konduktivitas luar biasa dan struktur berlapis dua dimensinya telah dianggap sebagai material penyimpanan energi untuk baterai ion natrium (SIBs) dan kapasitor elektrokimia [31,32,33,34].

Ti₃C₂ MXene dengan grup oksidasi permukaan yang kaya mendukung pembentukan heterosambilan antara MXene dan semiconductorn [35,36,37,38]. Heterosambilan membantu membangun kontak antarmuka yang kuat antara fotokatalis dan kokatalis. Akibat efek kopling fisik dan elektronik yang kuat, kontak antarmuka dapat secara signifikan meningkatkan transfer dan pemisahan pembawa yang diangsangkan cahaya pada antarmuka heterosambilan, yang merupakan faktor kunci untuk meningkatkan kinerja fotokatalitik [39,40,41].

Misalnya, komposit TiO₂/Ti₃C₂ dan Ti₃C₂/Bi₂WO₆ telah menunjukkan aktivitas fotokatalitik CO₂ reduksi yang baik, yang dikaitkan dengan pemisahan pembawa muatan yang sangat efisien dan sit aktivasi yang kaya [42, 43]. Kinerja produksi hidrogen dari fotokatalis g-C₃N₄/Ti₃C₂ telah ditingkatkan secara signifikan, yang dikaitkan dengan konduktivitas listrik yang unggul dan transfer muatan yang sangat efisien [44]. Hibrid TiO₂/Ti₃C₂ dan α-Fe₂O₃/Ti₃C₂ terbukti mempromosikan efisiensi degradasi fotokatalitik polutan organik di bawah cahaya ultraviolet dan cahaya terlihat dengan membangun heterosambilan [45,46,47].

Di sini, heterosambilan 2D/2D skema R fotokatalis Ti₃C₂ MXene/MoS₂ disintesis dengan metode hidrotermal. Aktivitas fotokatalitik komposit Ti₃C₂ MXene/MoS₂ dievaluasi melalui degradasi fotokatalitik MO dan reaksi evolusi hidrogen (HER) di bawah sinar cahaya terlihat. Kinerja fotokatalitik menunjukkan bahwa MoS₂ yang dikombinasikan dengan Ti₃C₂ MXene memiliki kemampuan degradasi yang lebih tinggi dan laju produksi H₂ daripada MoS₂ murni dalam kondisi yang sama. Luas permukaan spesifik yang diperluas dan kemampuan penyerapan optik yang ditingkatkan dapat dikaitkan dengan perubahan morfologi lembar nanon MoS₂ dari duduk menjadi meregang, yang diinduksi oleh Ti₃C₂ MXene. Di atas semuanya, interaksi kuat antara MoS₂ dan Ti₃C₂ MXene bermanfaat untuk membangun heterosambilan 2D/2D, yang secara efektif mempromosikan pemisahan dan transfer fotoelektron dari rongga, sehingga meningkatkan aktivitas fotokatalitik secara signifikan.

Bagian Metode/Eksperimen

Persiapan Fotokatalis

Bahan Baku

Bubuk MAX Ti₃AlC₂ (> 98 wt% kemurnian), asam hidroflorida, molibdenat amonium ((NH₄)₆Mo₇O₂₄•4H₂O), tiosin urea ((NH₂)₂CS) dan metil oranye dibeli dari PT Shanghai Yuehuan Co., Ltd. (Shanghai, Tiongkok) dan PT Guoyao Chemical Co., Ltd. (Tiongkok), masing-masing.

Sintesis Nanon Ti₃C₂

Bubuk hitam Ti₃AlC₂ dietch dalam larutan HF 49% pada suhu ruang dengan pengadukan selama 26 jam untuk menghapus lapisan Al. Bubuk yang dielup cuci dengan air deionisasi melalui sentrifugasi 7~8 kali sampai pH mencapai 7. Suspensi Ti₃C₂ di-sonikat selama 6 jam kemudian di-sentrifugas selama 20 menit pada 10.000 rpm [48]. Akhirnya, larutan dikeringkan untuk mendapatkan produk akhir lembar nanon Ti₃C₂ MXene.

Persiapan Hidrotermal Komposit Ti₃C₂ MXene/MoS₂ (Disingkat TM)

Pertama, 1,1 g molibdenat amonium ((NH₄)₆Mo₇O₂₄•4H₂O) dan 2,2 g tiosin urea ((NH₂)₂CS) dilarutkan dalam air deionisasi dengan pengadukan kuat selama 60 menit untuk membentuk larutan homogen, yang disebut sebagai larutan A. Kemudian, sejumlah lembar nanon Ti₃C₂ ditambahkan ke dalam 20 ml air deionisasi (DI) dengan pengadukan selama 30 menit diikuti oleh sonikasi tambahan selama 40 menit, yang disebut sebagai larutan B. Kemudian B dicampur ke dalam A tetes demi tetes di bawah sonikasi selama 30 menit. Larutan campuran dipindahkan ke dalam autoklaf berlapisan Teflon berukuran 100 mL dan dipanaskan pada 180 °C selama 7 jam. Setelah pendinginan ke suhu ruang, katalis hitam yang dihasilkan dicuci dengan air DI tiga kali untuk menghapus agen dispersi, dan kemudian dikeringkan pada 70 °C selama 10 jam dalam oven vakum. Dengan menambahkan larutan Ti₃C₂, rasio massa Ti₃C₂ MXene terhadap MoS₂ ditetapkan sebagai 0, 0,1%, 0,3%, 0,5%, 1,0%, dan 2,0 wt%, masing-masing. Sampel yang disiapkan disebut sebagai TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1, dan TM2, masing-masing.

Degradasi Fotokatalitik Metil Oranye

Semua eksperimen degradasi dilakukan dalam gelas 100 mL dengan pengadukan konstan. Metil oranye dipilih untuk mengevaluasi aktivitas fotokatalitik sampel. Uji degradasi fotokatalitik MO dilakukan menggunakan lampu halogen logam 400 W. Dalam eksperimen degradasi MO yang umum, 50 mg sampel Ti₃C₂/MoS₂ disperse dalam 50 mL larutan MO akuatik (20/30/50 mg/L). Kemudian, larutan dengan katalis ditempatkan dalam gelap selama 60 menit di bawah pengadukan magnetik kuat untuk membentuk kesetimbangan adsorpsi. Sampel diproses ultrasonik selama 1 menit sebelum menyalakan cahaya, yang membuat katalis tersebar dengan baik dalam larutan. Pada interval waktu tertentu, sekitar 3,5 mL larutan campuran diekstraksi dengan perlakuan sentrifugasi selama 4 menit pada 8000 rpm⁻¹ untuk menghapus bubuk katalis padat. Perubahan pada panjang gelombang 464 nm ditentukan oleh konsentrasi larutan MO, yang diukur menggunakan spektrofotometer UV-visible. Konsentrasi awal larutan MO ditandai sebagai C₀, dan C_t merujuk pada konsentrasi larutan MO pada waktu tertentu, masing-masing. Efisiensi degradasi sampel dicerminkan oleh relatif absorbansi C_t/C₀.

Evaluasi Produksi Hidrogen Fotokatalitik

Uji evolusi H₂ fotokatalitik dilakukan dalam kolong kuarsa 50 mL pada suhu dan tekanan atmosfer. Lima miligram sampel TM disperse dalam 70 mL larutan akuatik yang berisi 0,35 M Na₂S dan 0,25 M Na₂SO₃, dan diiradiasi oleh lampu Xe 300 W yang dilengkapi dengan filter cut-off 420 nm. Sebelum iradiasi, gas (N₂) terus dilewatkan selama 35 menit untuk menghilangkan oksigen. Produksi H₂ dideteksi oleh kromatografi gas (Agilent 7890) yang dilengkapi dengan detektor TCD.

Karakterisasi Mikrostruktur

Analisis fase sampel Ti₃C₂/MoS₂ dilakukan pada 40 kV dan 40 mA oleh difraktometer sinar-X (XRD, Cu Kα, Bruker D8 Advance, Jerman). Mikro-morfologi komposit diamati oleh mikroskopi elektron pemancaran medan (FESEM, Zeiss Ultra Plus, Zeiss, Jerman) yang dilengkapi dengan spektrometri energi-dispersif (EDS). Mikroskopi elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM, JEM-2100F, Jepang elektron, China) digunakan untuk memeriksa morfologi dan antarmuka heterosambilan antara MoS₂ dan Ti₃C₂. Spektra inframerah dicatat oleh spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR, Nexus, Therno Nicolet, AS) dalam rentang 400 hingga 4000 cm⁻¹. Properti optik bubuk dilakukan oleh spektrofotometer reflectansi difusi UV-Vis (DRS, Lambda 750S, PerkinElmer, AS) dengan bola terintegrasi. Status kimia katalis yang diperoleh dipelajari oleh spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher Scientific, China).

Pengukuran Elektrokimia

Uji elektrokimia diukur oleh stasiun elektrokimia CHI 1030 A. Dalam eksperimen umum, 5 mg sampel TM dan 110 μL larutan Nafion 5 wt% disperse dalam 2,5 mL etanol dan air 1:4 v/v dengan sonikasi selama 9 menit untuk membentuk suspensi homogen. Selanjutnya, 5 μL tinta dijatuhkan pada permukaan elektroda karbon kaca (GCE). Uji spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan dalam konfigurasi yang sama pada overpotensi n = 200 mV dari 0,1 hingga 105 kHz dengan tegangan AC 5 mV.

Hasil dan Pembahasan

Kristalinitas Ti₃AlC₂ dan Ti₃C₂ MXene dianalisis dalam rentang 2θ = 5 − 70°, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar S1. Puncak difraksi yang mencolok Ti₃AlC₂ yang terletak pada 2θ = 39° hilang dan puncak Ti₃C₂ MXene 2θ = 9,7° bergeser ke sudut yang lebih rendah, yang menunjukkan bahwa Ti₃AlC₂ telah bertransformasi menjadi Ti₃C₂ dengan sukses [42]. Gambar 1 mengungkapkan pola XRD sampel TM dengan berbagai penambahan Ti₃C₂ dan puncak difraksi utama sampel TM0 telah diindeks sebagai MoS₂ murni dengan konstanta jaringan a = 3,16 dan c = 12,294 Å (JCPDS no. 37-1492), masing-masing [15]. Setelah dikombinasikan dengan Ti₃C₂, puncak difraksi utama untuk bidang (002), (100), dan (103) komposit TM lebih lebar dan intensitasnya menurun dibandingkan TM0, yang menunjukkan bahwa MoS₂ tertekan oleh efek pembatasan pertumbuhan Ti₃C₂ [49]. Tidak ada puncak difraksi yang jelas Ti₃C₂ MXene yang dapat terdeteksi, yang dikaitkan dengan pemuatan Ti₃C₂ yang rendah dengan dispersi yang baik dalam komposit.

Heterosambilan 2D/2D Skema R Ti3C2 MXene/MoS2: Perkembangan Efisiensi Fotokatalitik

Gambar mikroskopis komposit Ti₃C₂/MoS₂ dengan berbagai jumlah Ti₃C₂ diamati dalam Gambar 2. Ia menunjukkan bahwa semua sampel memiliki ciri bunga nanobola dengan lubang yang terpisah secara acak di permukaan. Dan struktur bunga komposit TM terdiri dari lembar nanon tidak beraturan dengan ketebalan rata-rata sekitar 15 nm.

Gambar 2a menunjukkan struktur mikroskopis tipikal TM0 dengan diameter sekitar 200-400 nm. Gambar 2b-f memberikan gambar FESEM TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1, dan TM2. Terlihat bahwa semua sampel berbagi ciri morfologi yang sama dengan MoS₂ murni. Lembar Ti₃C₂ MXene berlapis memiliki permukaan yang lebih halus dan mikrosfer bunga MoS₂ terpusat di tepis lembaran, yang menunjukkan bahwa struktur Ti₃C₂ MXene tidak terhancurkan selama sintesis hidrotermal. Gambar S2a mengungkapkan heterosambilan 2D/2D dengan kopling yang erat antara (2D) MoS₂ dan (2D) Ti₃C₂. Gambar pemetaan EDS yang sesuai diperoleh dalam Gambar S2b-e, yang mencerminkan bahwa elemen Mo, Ti, dan C tersebar secara merata dalam komposit TM.

Properti penyerapan optik komposit TM dianalisis oleh spektrum UV-Vis DRS, sebagaimana diungkapkan dalam Gambar 3a. TM0.5 memiliki kemampuan penyerapan optik terkuat dalam rentang cahaya terlihat dan UV dengan kontras tajam dengan TM0. Seseorang dapat memperhatikan bahwa dalam rentang tertentu, intensitas penyerapan optik komposit TM ditingkatkan secara signifikan dengan peningkatan kandungan Ti₃C₂. Khususnya, penambahan Ti₃C₂ berlebih mengurangi kinerja fotokatalitik sampel TM, yang dikaitkan dengan fakta bahwa penambahan Ti₃C₂ berlebih mencegah penyerapan cahaya oleh lembar nanon MoS₂ [50].

Gambar 3b menunjukkan isoterm adsorption-desorpsi N₂ sampel TM0 dan TM0.5 dan kurva distribusi ukuran pori mereka (Gambar 3b inset). Kedua sampel dirawat pada 100 °C selama 4 jam sebelum pengujian. Ukuran pori rata-rata TM0 dan TM0.5 adalah 24,9 dan 29,1 nm. Luas permukaan spesifik Brunauer-Emmett-Teller sampel TM0 dan TM0.5 adalah 8,51 dan 10,2 m² g⁻¹, masing-masing, yang menunjukkan bahwa TM0.5 memiliki luas permukaan spesifik yang lebih besar dan kemampuan adsorpsi N₂ yang lebih besar daripada sampel TM0.

Efisiensi pemisahan lubang dan elektron yang dihasilkan cahaya dikonfirmasi oleh respons arus foton transient (kurva I-t), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3c. Sampel TM0.5 menunjukkan intensitas arus foton yang lebih tinggi daripada TM0, yang dikaitkan dengan migrasi efektif fotoelektron dari band konduktif MoS₂ ke lembar nanon Ti₃C₂. Perilaku rekombinasi/transfer pembawa muatan sampel TM dieksplorasi oleh spektrum impedansi elektrokimia (EIS), sebagaimana disajikan dalam Gambar 3d. Di antara sampel tersebut, ukuran lengkung Nynquist yang terbesar dan terkecil ditampilkan oleh katalis TM0 dan TM0.5, masing-masing, yang menunjukkan bahwa konduktivitas tinggi Ti₃C₂ MXene bermanfaat bagi migrasi elektron. Namun, radius lengkung yang lebih besar dapat diamati dalam sampel TM2 (Gambar S4), yang menunjukkan bahwa pemuatan Ti₃C₂ yang terlalu tinggi mengakibatkan peningkatan impedansi transfer pembawa muatan. Secara jelas, kesesuaian yang baik antara hasil I-t dan EIS mengonfirmasi bahwa kandungan Ti₃C₂ dapat mempengaruhi transfer pembawa yang dihasilkan cahaya.

Gambar S5 menunjukkan spektrum FT-IR sampel TM0 dan TM0.5. Pita serap pada 600, 910, 1100, dan 1630 cm⁻¹ sesuai dengan peregangan Mo-S, S-S, Mo-O, dan -OH, masing-masing [51]. Pita pada sekitar 3350 cm⁻¹ terkait dengan grup -CH₂ dari getaran peregangan air permukaan [52]. Dibandingkan sampel TM0, semua puncak sampel TM0.5 menunjukkan pergeseran kecil, yang menunjukkan adanya interaksi kuat antara MoS₂ dan lembar nanon Ti₃C₂.

Gambar HRTEM komposit TM0 dan TM0.5 lebih lanjut diamati dalam Gambar 4a, b. Secara keseluruhan, tingkat tumpang tindih lembar nanon MoS₂ dan aglomerasi mikrosfer MoS₂ berkurang dengan peningkatan penambahan Ti₃C₂. Secara rinci, untuk lembar nanon MoS₂ murni, tumpang tindih MoS₂ dapat diperhatikan, yang tidak bermanfaat untuk penyerapan cahaya terlihat, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a. Dengan peningkatan penambahan Ti₃C₂, morfologi MoS₂ secara bertahap berubah dari duduk ke keadaan meregang (Gambar 4b), yang dapat menghasilkan luas permukaan spesifik yang diperluas dan sit aktif yang meningkat. Lembar nanon Ti₃C₂ berlapis ultralapis tersebar dengan baik dalam larutan dan kontak erat dengan MoS₂. Ini mendukung untuk memfasilitasi meregangnya lembar nanon MoS₂ melalui kopling fisik yang kuat, yang akan memainkan peran penting dalam transfer elektron dalam proses fotokatalitik. Namun, sebagai kandungan Ti₃C₂ lebih meningkat hingga 1 dan 2 wt%, sejumlah besar lembar nanon MoS₂ secara acak tumpang tindih dan mengaglomerasi pada substrat Ti₃C₂, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar S6a, b.

Gambar 4c memberikan struktur heterosambilan TM0.5. Jarak jaringan 0,23 dan 0,62 nm ditetapkan ke bidang kristal (103) Ti₃C₂ dan bidang kristal (110) MoS₂, masing-masing [24, 47]. Heterosambilan kontak erat mempromosikan transfer dan pemisahan pembawa dan lubang yang dihasilkan cahaya pada antarmuka heterosambilan [43]. Detail lebih lanjut tentang struktur heterosambilan dalam sampel TM dapat diamati dalam Gambar S6c, d. Mikroskopi elektron transmisi pemindaian (STEM) TM0.5 ditampilkan dalam Gambar 4d, dan pemetaan EDS yang sesuai dari Mo, S, C, Ti, dan F diberikan dalam Gambar 4e-i. Rasio atom (Gambar S3) elemen C, Ti, Mo, dan S adalah 62,68, 3,79, 10,56, dan 22,97%, masing-masing. Garis tepis yang jelas dari MoS₂ bunga yang ditanam pada lembar nanon Ti₃C₂ ultralapis membuktikan bahwa lembar nanon Ti₃C₂ yang dikombinasikan dengan MoS₂ berhasil membentuk heterosambilan erat. Semua bukti gambar SEM dan TEM menunjukkan bahwa komposit TM disintesis dengan sukses.

Untuk mengonfirmasi lebih lanjut keberadaan Ti₃C₂ dan MoS₂ dalam komposit, XPS dilakukan untuk menganalisis komposisi kimia permukaan dan status sampel TM0.5, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5. Semua elemen (Mo, S, Ti, O, C) diamati dalam spektrum survei XPS. Puncak karakteristik 36,4, 160,6, 226,8, 283,6, dan 529,7 eV diindeks sebagai Ti 3p, S 2p, Mo 3d, C 1 s, dan O 1 s, masing-masing [19]. Dalam Gambar 5b, tiga puncak pada energi ikatan 223,86, 226,69, dan 229,99 eV ditetapkan ke S 2 s, Mo 3d_5/2, dan Mo 3d_3/2, masing-masing, yang mengungkapkan keberadaan Mo³⁺ dalam hibrid TM. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5c, dua puncak terletak pada 159,53 dan 160,72 eV, sesuai dengan S 2p. Puncak C 1 s yang termasuk Ti₃C₂ muncul pada energi ikatan 282,38 dan 283,57 eV, seperti yang ditampilkan dalam Gambar 5d.

Gambar 6a, b menunjukkan aktivitas fotokatalitik untuk degradasi MO atas berbagai sampel TM di bawah iradiasi cahaya terlihat. Eksperimen kosong membuktikan bahwa tidak ada perubahan yang jelas pada larutan MO dalam reaksi 90 menit tanpa katalis, seperti yang diberikan dalam Gambar 6a. Terlihat bahwa molekul MO terbukti secara kimia stabil dan sulit terdekomposisi. Efek adsorpsi dihilangkan sebelum degradasi fotokatalitik dengan mengaduk larutan campuran dalam gelap selama 1 jam. Setelah dirawat dalam gelap selama 60 menit, 37~51% MO terserap oleh komposit TM yang berbeda. Semua sampel menunjukkan kemampuan adsorpsi fisik yang kuat dan sampel TM0.5 menunjukkan kemampuan adsorpsi yang lebih besar daripada yang lain karena luas permukaan spesifik yang meningkat. Setelah adsorpsi, eksperimen degradasi fotokatalitik berikutnya dilakukan dengan konsentrasi MO setimbang sebagai konsentrasi awal.

Secara jelas, semua komposit TM menunjukkan kemampuan degradasi cahaya yang lebih tinggi daripada MoS₂ murni di bawah iradiasi cahaya terlihat, yang menunjukkan bahwa penambahan sejumlah kecil Ti₃C₂ MXene dapat meningkatkan aktivitas fotokatalitik MoS₂. Ketika penambahan MXene meningkat dari 0 hingga 0,5 wt%, total degradasi MO meningkat secara dramatis. Kinerja fotokatalitik tertinggi diperoleh oleh sampel TM0.5 dan larutan MO sebesar 97,4% terdegradasi dalam 30 menit. Dengan meningkatkan penambahan Ti₃C₂ lebih lanjut hingga 2 wt%, kemampuan degradasi katalis komposit TM menurun. Fenomena ini dapat dikaitkan dengan fakta bahwa terlalu banyak Ti₃C₂ menghalangi penyerapan cahaya terlihat oleh lembar nanon MoS₂, mengurangi aktivitas fotokatalitik [53]. Perbandingan komposit berbasis TiO₂ yang berbeda untuk degradasi fotokatalitik MO di bawah iradiasi cahaya terlihat ditunjukkan dalam Tabel S1.

Selain itu, kinetika degradasi MO telah disesuaikan sesuai dengan teori kinetika orde pertama palsu (ln (C₀/C_t)) = kt, di mana k adalah konstanta laju orde pertama palsu, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6b. Terjadi bahwa konstanta laju kinetika untuk TM0, TM0.1, TM0.3, TM0.5, TM1, dan TM2 adalah 0,00135, 0,00308, 0,00454, 0,00836, 0,00401, dan 0,0028 min⁻¹, masing-masing. Nilai optimal k milik sampel TM0.5, yang sekitar 6,2 kali lebih tinggi daripada TM0.

Untuk menyelidiki aktivitas fotokatalitik TM0.5 di bawah berbagai konsentrasi MO, degradasi untuk larutan MO 20, 30, dan 50 mg/L diberikan dalam Gambar S7a. Secara umum, efisiensi degradasi sampel TM0.5 menurun seiring meningkatnya konsentrasi larutan MO. Seperti yang dapat diperhatikan, > 90% larutan MO konsentrasi rendah terdegradasi dalam 25 menit. Gambar S7b, c menunjukkan perubahan spektrum absorpsi ultraviolet larutan MO 30 dan 50 mg/L, masing-masing. Puncak serap kuat larutan MO pada 554 nm menurun secara bertahap karena efek degradasi cahaya TM0.5. Selain itu, sampel TM0.5 juga menunjukkan kemampuan degradasi yang kuat (hampir 80%) untuk degradasi MO (50 mg/L) dalam 125 menit. Hasil di atas membuktikan bahwa katalis TM memiliki potensi prospek untuk degradasi polutan organik konsentrasi tinggi.

Stabilitas katalis diuji dengan mengulang tiga kali dalam kondisi yang sama. Pemisahan TM0.5 dari larutan campuran oleh perlakuan sentrifugasi kecepatan tinggi. Stabilitas sampel TM terungkap dalam Gambar 7a, aktivitas fotokatalitik sampel TM0.5 tidak menurun secara signifikan setelah 3 kali siklus proses degradasi cahaya, yang menunjukkan bahwa katalis memiliki stabilitas dan kelestarian yang unggul [54]. Stabilitas struktur katalis diperoleh dengan membandingkan XRD sebelum dan setelah penggunaan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar S8.

Mekanisme potensi degradasi fotokatalitik diperoleh melalui eksperimen penangkap. Lubang (h⁺) dan radikal hidroksil (•OH) yang dihasilkan cahaya memainkan peran penting dalam proses degradasi fotokatalitik [21]. Trietanolamina (EDTA) dan t-butanol diperkenalkan sebagai penangkap untuk mematikan lubang aktif (h⁺) dan radikal hidroksil (•OH) masing-masing di bawah iradiasi cahaya terlihat. Seperti yang ditampilkan dalam Gambar 7b, komposit TM0.5 menunjukkan aktivitas fotokatalitik terbaik ketika tidak ada penangkap yang ditambahkan. Dalam keberadaan EDTA atau t-butanol, degradasi MO secara signifikan terhambat, yang menunjukkan bahwa lubang dan radikal hidroksil yang dihasilkan cahaya semuanya ikut serta dalam reaksi fotokatalitik. Setelah menambahkan EDTA, degradasi MO menurun secara signifikan (kurang dari 40%), yang menunjukkan bahwa lubang memainkan peran kunci dalam reaksi degradasi. Oleh karena itu, spesies aktif utama dari degradasi fotokatalitik adalah lubang (h⁺) yang dihasilkan cahaya, diikuti oleh radikal hidroksil (•OH).

Heterosambilan 2D/2D skema R Ti₃C₂ MXene/MoS₂ bermanfaat bagi migrasi dan agregasi elektron dari band konduktif MoS₂ ke sit aktif Ti₃C₂, sehingga mempercepat proses evolusi hidrogen fotokatalitik. Gambar 8a menyajikan perbandingan aktivitas produksi H₂ dengan berbagai sampel TM di bawah iradiasi cahaya terlihat. Sampel MoS₂ murni (TM0) menunjukkan laju produksi hidrogen fotokatalitik yang buruk (65,4 μmol h⁻¹ g⁻¹) karena rekombinasi cepat pembawa cahaya. Laju produksi H₂ fotokatalitik secara signifikan meningkat setelah dikombinasikan dengan lembar nanon Ti₃C₂, yang menunjukkan bahwa penerima elektron 2D Ti₃C₂ MXene dapat secara efektif meningkatkan mobilitas elektron. Pemuatan optimal Ti₃C₂ dalam komposit Ti₃C₂ MXene/MoS₂ adalah 0,5 wt%, sesuai dengan laju produksi H₂ sebesar 380,2 μmol h⁻¹ g⁻¹. Namun, laju produksi hidrogen meningkat dengan pemuatan Ti₃C₂ hingga 0,5 wt% dan kemudian menurun pada pemuatan Ti₃C₂ yang lebih tinggi. Laju produksi hidrogen sampel TM1 dan TM2 adalah 324,7 dan 266,3 μmol h⁻¹ g⁻¹, masing-masing. Pengurangan laju evolusi hidrogen pada pemuatan Ti₃C₂ yang lebih tinggi dapat dijelaskan sebagai Ti₃C₂ MXene berlebih yang melindungi MoS₂ dari cahaya terlihat.

Selanjutnya, kemampulan pemulihan katalis TM0.5 lebih lanjut dianalisis melalui uji produksi hidrogen fotokatalitik siklus. Seperti digambarkan dalam Gambar 8b, produksi H₂ tetap stabil setelah 6 siklus dengan reaksi intermiten 5 jam di bawah iradiasi, yang menunjukkan bahwa komposit Ti₃C₂/MoS₂ memiliki stabilitas yang kuat.

Mekanisme yang mungkin dari reaksi fotokatalitik atas heterosambilan 2D/2D skema R Ti₃C₂ MXene/MoS₂ dapat ditunjukkan dalam Gambar 9a. Elektron yang dihasilkan cahaya berasal dari VB MoS₂ dan transfer ke CB yang sesuai di bawah iradiasi cahaya terlihat. Fotoelektron dapat transfer dengan cepat dari band konduktif (CB) MoS₂ ke Ti₃C₂ melalui heterosambilan kontak erat karena aktivitas E_F Ti₃C₂ yang lebih besar daripada potensial CB MoS₂ [55]. Dalam proses degradasi umum, sejumlah besar elektron yang menumpuk di permukaan Ti₃C₂ MXene bereaksi dengan oksigen (O₂) untuk menghasilkan radikal superoxide (•O₂⁻). Sementara itu, ion hidroksil (OH⁻) dan air yang terserap pada permukaan katalis bereaksi dengan lubang yang dihasilkan cahaya untuk menghasilkan radikal hidroksil (•OH) [46].

Langkah-langkah reaksi evolusi hidrogen H₂ digambarkan oleh Eq. (1)-(3) pada sit aktif Ti₃C₂:

$$ {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}+\ast \to \mathrm{H}\ast +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ (1) $$ {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}+\mathrm{H}\ast \to {\mathrm{H}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ (2) $$ \mathrm{H}\ast +\mathrm{H}\ast \to {\mathrm{H}}_2 $$ (3)

Situs aktif dapat direpresentasikan oleh * dalam proses HER. Situs permukaan Ti₃C₂ MXene menyerap ion H₃O⁺ dan elektron untuk membentuk atom H, yang disebut reaksi Volmer, sebagaimana ditampilkan dalam Eq. (1). Atom H menggabungkan dengan elektron dari Ti₃C₂ dan H₃O⁺ lain untuk membentuk molekul hidrogen, yang dikenal sebagai mekanisme Heyrovsky, sebagaimana digambarkan dalam Eq. (2). Sebuah molekul H₂ terbentuk oleh dua atom H pada sit aktif, yang disebut mekanisme Tafel, sebagaimana ditampilkan dalam Eq. (3) [44].

Heterosambilan 2D/2D sampel TM digambarkan dalam Gambar 9b. Elektron yang dihasilkan cahaya dapat cepat bermigrasi dari MoS₂ ke permukaan lembar nanon Ti₃C₂ karena saluran transfer elektron heterosambilan 2D/2D. Konduktivitas elektron yang unggul 2D Ti₃C₂ dapat secara efektif memperpanjang waktu pemisahan dan mengurangi rekombinasi pasangan lubang-elektron yang dihasilkan cahaya [56]. Oleh karena itu, aktivitas fotokatalitik ditingkatkan secara signifikan.

Kesimpulan

Dalam rangkuman, heterosambilan 2D/2D skema R komposit Ti₃C₂ MXene/MoS₂ berhasil disintesis dengan metode hidrotermal. Fotokatalis Ti₃C₂ MXene/MoS₂ menunjukkan peningkatan aktivitas fotokatalitik yang luar biasa untuk degradasi MO dan reaksi evolusi hidrogen dibandingkan MoS₂ murni. Sampel Ti₃C₂ MXene/MoS₂ 0,5 wt% mencapai degradasi MO optimum sebesar 97,4% setelah iradiasi 30 menit dan laju evolusi hidrogen 380,2 μmol h⁻¹ g⁻¹ di bawah iradiasi terlihat. Analisis morfologi dan struktur mengonfirmasi bahwa lembar nanon MoS₂ diinduksi oleh lembar nanon Ti₃C₂ ultralapis dari duduk menjadi meregang, yang mungkin secara besar meningkatkan luas permukaan spesifik dan meningkatkan kemampuan penyerapan cahaya. Yang lebih penting, Ti₃C₂ MXene yang dikombinasikan dengan lembar nanon MoS₂ dapat secara efektif menerima dan mentransfer elektron dari semiconductorn yang diangsangkan, yang bermanfaat untuk menekan rekombinasi muatan dan meningkatkan proses transfer muatan antarmuka. Dalam karya ini, heterosambilan 2D/2D baru skema R Ti₃C₂ MXene/MoS₂ yang dibangun menunjukkan bahwa Ti₃C₂ MXene dapat menjadi kokatalis yang menjanjikan dalam reaksi fotokatalitik.