超声波辅助的MXene/CdS光催化剂用于生物质衍生氢气（H2）的生产：性能优化与生命周期评估

《Journal of Cleaner Production》：Ultrasonication-assisted MXene/CdS photocatalysts for biomass-derived H 2 production: Performance optimization and life cycle assessment

本研究通过超声辅助合成Ti3C2Tx MXene/CdS光催化剂，系统优化合成条件并评估环境影响，发现适度超声处理、催化剂负载量和反应温度的优化可显著提升产氢效率至16.212 mmol·g?1·h?1，同时降低环境负担，为生物质制氢的可持续发展提供新思路。

　　

王俊奇|刘向军|马静静|徐虎|刘宽宽|魏旭欣

西安交通大学人居与土木工程学院，中国西安，710049

摘要

向可持续能源系统转型需要高效且环保的氢气（H₂）生产途径。本研究通过整合催化剂合成优化与环境评估，系统地研究了基于生物质的光催化氢气生产方法。

采用超声辅助法制备了一种经过Ti₃C₂T_x MXene改性的CdS基光催化剂，并评估了超声处理条件、催化剂负载量和反应温度对光催化性能的影响。在优化条件下，该MXene/CdS光催化剂实现了16.212 mmol g^?1·h^?1的氢气产率，并具有良好的循环稳定性。为了评估不同实验策略和操作条件对环境的影响，进行了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的生命周期评估，并在自然阳光下进行了室外光催化测试。结果表明，适度的超声处理、适量的催化剂以及优化的反应温度可以有效减少环境负担。太阳能的可获得性变化进一步影响了环境性能，这突显了工艺优化和实际操作条件相结合的重要性。

总体而言，本研究表明，将光催化性能优化与环境评估相结合，能够更全面地了解基于生物质的氢气生产的机会和局限性。

引言

能源问题是当今人类最关注的话题之一。氢气（H₂）因其能量密度（是传统化石燃料的2.5倍）而被视为一种清洁且可再生的能源。作为一种丰富、环保且可再生的碳源，生物质是绿色氢气生产的潜在候选材料。通过光催化生物质重整过程，木质纤维素材料或生物质衍生物等生物质原料会发生光热或光化学反应，从而释放出氢气（Luo等人，2021年）。

光催化氢气生产的关键在于开发具有优异效率、稳定性和成本效益的光催化剂（Banerjee等人，2021年）。半导体光催化剂在可见光范围内具有很高的光催化活性（Sharma等人，2021年；Kwon等人，2025年）。然而，常见的光催化剂（如CdS）在生物质光催化过程中存在一些问题，包括长时间光照下的稳定性有限和光腐蚀现象，导致催化活性随时间下降（Chen等人，2020年）。MXene是一类通过化学剥离从MAX相材料中制备出的二维过渡金属碳化物或氮化物，具有优异的导电性和强光吸收能力，已被证明可以提高CdS的光稳定性，并进一步促进生物质及其衍生物的光催化氢气生产。Ran等人（2017年）首次尝试将MXene与CdS纳米颗粒结合，展示了MXene家族材料在光催化中的巨大潜力（产率为14342 μmol h^?1·g^?1）。Chen等人（2022a年）制备了一种2D/2D CdS纳米片@MXene复合光催化剂，其氢气产率为1.73 mmol h^?1·g^?1。尽管这些结果令人鼓舞，但大多数现有研究主要展示了MXene-CdS系统的可行性。传统的MXene制备方法通常较为复杂，产量有限，这给高效利用和大规模应用带来了挑战。因此，了解MXene作为共催化剂的作用并开发提高其催化效率的有效策略至关重要。与之前报道的MXene/CdS光催化剂不同，本研究引入了一种超声辅助合成策略，在相对温和的条件下实现了Ti₃C₂T_x MXene与CdS之间更有效的分散和界面接触。这种方法通过超声参数系统地调节MXene结构，为优化光催化性能提供了额外的自由度。

超声技术在材料合成领域越来越受欢迎，因其绿色、创新和高性能成本比的特点而受到重视（Xu等人，2013年）。超声处理被认为是调整二维纳米材料厚度和尺寸的最具可扩展性和成本效益的解决方案之一（Ciesielski等人，2016年）。Rajavel等人（2018年）指出，有效的超声处理可以克服范德华相互作用，将较大的MXene纳米片破碎成更小的纳米片，从而暴露出更多的活性位点。此外，Zhang等人（2022年）通过实验验证，超声处理使Ti₃C₂T_x的晶格间距增大，从而显著提高了其性能。总之，虽然超声处理可以提高MXene的性能，但其在MXene/CdS光催化系统中的共催化剂效果仍不明确。研究超声处理后的MXene是否确实能增加氢气产量及其背后的机制是关键的研究方向。除了实验室规模的效率外，评估此类光催化系统的环境可行性同样重要。生命周期评估（LCA）提供了一个系统框架，用于量化潜在的环境影响，将材料创新与大规模应用联系起来。因此，本研究不仅探讨了超声改性MXene/CdS的催化机制，还结合了LCA来评估其可持续性，从而架起了实验室发现与实际应用之间的桥梁。

在本研究中，选择MXene（Ti₃C₂T_x）作为示例，探讨不同超声处理时间和温度对其形态和催化性能的影响。目的是优化合成过程，并明确超声处理对其结构和功能的影响。将使用密度泛函理论（DFT）来研究超声改性Ti₃C₂T_x/CdS复合材料的催化机制，并计算反应过程的吉布斯自由能。同时，进行LCA以量化催化剂制备和光催化过程的能量输入和环境负担，从而获得超出实验室性能的全面理解。LCA不仅识别了超声处理中的能源消耗和催化剂稳定性等关键热点，还评估了将该系统从受控实验室实验扩展到更实际室外场景的潜在益处。这种综合方法不仅加深了对MXene改性机制的理解，还将材料创新与环境可持续性联系起来，为未来基于生物质的绿色氢气生产提供了宝贵的见解。

材料

碳化钛铝（Ti₃AlC₂）由Sigma Chemical Company（中国北京）提供。化学试剂（如氟化锂（LiF）、硫化钠（Na₂S·9H₂O）、硝酸铬（Cd(NO₃)₂·4H₂O）和D-(+)-葡萄糖（Glu）从上海Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd购买。盐酸（HCl）则从Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd购买。所有试剂均为分析纯。所有实验均使用去离子（DI）水。

Ti₃C₂T_x MXene的超声化学制备

超声处理时间对Ti₃C₂T_x/CdS光催化性能的影响

图1a显示了在光照条件下，CdTi-0.8-X min-15°C（X = 0, 5, 10, 15, 20和25）的光催化氢气生产结果。其中，CdTi-0.8-5 min-15°C（超声处理5分钟）的氢气产率最高（16212 μmol g^?1·h^?1）。这一产率明显高于之前报道的MXene负载CdS光催化剂，例如：CdS-Ti₃C₂复合材料（CT2.5，产率为14342 μmol h^?1·g^?1）（Ran等人，2017年）和1D CdS/2D Ti₃C₂ MXene纳米复合材料（CM-20，产率为2407 μmol h^?1·g^?1）（Xiao等人）

结论与展望

本研究成功通过超声辅助合成制备了Ti₃C_x/CdS。优化条件（15°C下超声处理5分钟）下，获得了16.212 mmol g^?1·h^?1的高氢气产率，并具有良好的耐久性，证实了Ti₃C_x作为稳定共催化剂在光催化氢气生产中的有效性。这一结果表明，超声辅助的材料工程可以显著提高电荷分离和整体催化性能。

CRediT作者贡献声明

王俊奇：撰写——审稿与编辑、资源获取、概念构思。刘向军：撰写——初稿撰写、可视化、实验研究。马静静：数据分析。徐虎：数据分析。刘宽宽：实验研究。魏旭欣：实验研究。

资助

本研究得到了陕西能源实验室科技计划的支持，资助编号为：ESLB 202441。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了陕西能源实验室科技计划的支持，资助编号为：ESLB 202441。作者感谢西安交通大学核心设施与实验中心的马雅云在技术上的指导。