第一作者：秦明礼、何眀琦
光电传感技术在现代信息接收和传输过程中发挥着重要的作用，目前已广泛应用于生物工程、医疗卫生、环境保护等当代各个领域。材料科学和纳米技术的发展进一步提高光电探测器的性能和效率。近些年中，像石墨烯、MXene、过渡金属二硫化和钙钛矿等各种纳米材料已被用于光探测领域。在这些材料中，氯氧化铋（BiOCl）因其独特的层状结构、优异的光学性能和稳定的化学性能而显示出巨大的潜力。然而，BiOCl具有宽带隙（3.2-3.4 eV），并且只能响应紫外光，导致其相对较低的光利用率。通过简单的改性手段（如掺杂和空位工程）来扩大基于BiOCl的光电探测器的响应光谱范围是困难的，这限制了其在宽带光电探测领域的应用。此外，快速的载流子复合也抑制了基于BiOCl的器件的光电性能。
将BiOCl与其他纳米材料结合来构建异质结是克服上述障碍的有效策略之一。杭州师范大学高凌锋副教授，黄又举教授报道了一种通过水热法制备Ti3CN@BiOCl异质结材料的方案，旨在促进光生载流子的运输。团队系统研究了电解质的种类和浓度、光强以及外置偏压的大小对Ti3CN@BiOCl异质结材料的光电响应行为的影响,并基于DFT理论计算研究了异质结中电子传递途径。同时，少量空穴捕捉剂Na2SO3的加入可以大大提高了材料的光响应性能。通过对外部条件的优化，基于Ti3CN@BiOCl 异质结材料的光电探测器展示出较高的光电流密度(47.17 μA∙cm−2)和优异的光响应性(12.50 mA∙W−1)，结合其具备快速响应（~0.04 s）和长期稳定性的特点（每个周期衰减~ 0.005%），Ti3CN@BiOCl异质结在光探测领域显示出巨大的潜力，也将为其他高性能光电器件提供很大的价值。
图1.工作电极的制备、测量装置和工作机理的示意图。
图2. (a) Ti3AlCN MAX前体SEM图像。(b) Ti3CN MXene SEM图像。(c) BiOCl NSs修饰Ti3CN MXene的示意图。(d) Ti3CN@BiOCl NSs TEM图像。(e) Ti3CN@BiOCl NSs 晶格条纹图像。(f) Ti3CN@BiOCl NSs选取电子衍射图像。(g) Ti3CN@BiOCl NSs元素分析图像。
本文通过SEM、TEM、EDS表征所制备Ti3CN@BiOCl 纳米片的微观结构、几何形态和元素组成。如图2所示，Ti3AlCN MAX前体呈致密的结构，经HF刻蚀Al原子后，Ti3CN MXene呈手风琴状结。在多层Ti3CN表面可以发现BiOCl片状结构，mapping图像进一步分析了异质结材料的元素组成，同时Ti3CN的（101）晶面和BiOCl的（101）晶面均可以被高分辨透射电镜探测到，以上均表明通过简单的水热方法可以制备成功Ti3CN@BiOCl异质结。
图3. (a) Ti3CN@BiOCl在不同电解质下的LSV曲线。(b)Ti3CN@BiOCl-PD在不同浓度电解质中的光电响应行为。 (c) Ti3CN@BiOCl-PD在不同偏压下的光电响应行为。(e) 模拟光下，Pph对Pλ的拟合。(f) 模拟光下，Rph对沿电解质浓度和Pλ 的分布情况。
如图3所示，将合成的Ti3CN@BiOCl异质结材料直接作为光电化学(PEC)型光电探测器(PD)的活性电极材料，通过改变电解质的浓度、光功率密度(Pλ)和偏置电位的大小，系统地研究了Ti3CN@BiOCl在不同外部条件下的光响应性能。如图3a所示，Ti3CN@BiOCl-PD在碱性电解质，0-1 V的条件下并没有出现明显的氧化还原峰，表明所制备的Ti3CN@BiOCl-PD在这些条件下是稳定的。如图3b、3c和3d所示，光电流随电解质浓度以及外加偏置电压的增加而增加，这可归因于高浓度的电解质中所含的自由导电离子的浓度更高，EIS谱图也证实了这点(图3c)以及偏置电压的增加可以帮助光生载流子在短时间内分离和运输更多的载流子，从而会产生较大的光电流。同时，增加入射光功率密度也可以有效地增强Ti3CN@BiOCl的光响应，这可归因于随着光电流功率密度增加，光生载流子数目增加，从而导致光电流的增强。
图4. (a) Ti3CN@BiOCl-PD在不同波长下的响应速度。(b) Ti3CN@BiOCl-PD在2000个循环下的长期稳定性测试。
为了评估Ti3CN@BiOCl-PD的实际应用，作者研究了Ti3CN@BiOCl-PD的响应速度和长期稳定性。如图4a所示，Ti3CN@BiOCl-PD在各种波长下的 tres/trec值均小于0.08 s，这表明制备的Ti3CN@BiOCl-PD表现出超快的光响应行为。图4b对新制备的Ti3CN@BiOCl-PD样品和储存一个月后的样品分别收集了2000次的通断信号。新鲜样品的光电流密度从46.26 μA∙cm−2降至 35.81 μA∙cm−2 (每周期下降约 0.011%），而储存样品的光电流密度 从31.96 μA∙cm−2降至 28.83 μA∙cm−2（每周期下降约 0.005%）。可见样品仍可以保持较高的光电流密度并且样品在一个月后变得更加稳定，这可归因于电解质的预先渗透。结合材料优异的稳定性，这项工作不仅突出了基于BiOCl的异质结的广阔的前景，同时也为其他光电器件的应用提供了很大的价值。
相关工作近期发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》。论文第一作者为杭州师范大学硕士生秦明礼和乌普萨拉大学博士后何眀琦，杭州师范大学高凌锋副教授、黄又举教授和乌普萨拉大学Hans Ågren教授为共同通讯作者。
Mingli Qin, Mingqi He, Jiahui Hou et al.A 2D-2D Ti3CN@BiOCl Heterojunction and Its Application in Photodetection, Advanced Composites and Hybrid Materials, 2026, 9, 69, https://doi.org/10.1007/s42114-025-01602-9
高凌锋：杭州师范大学材料与化学化工学院副教授，主要研究方向为新型低维纳米材料制备及其光电传感性能。以第一作者/通讯作者身份在国际重要刊物上发表 SCI 论文 40 余篇（包括 4 篇高被引论文和 1 篇热点论文）。2019 年入选深圳市海外高层次人才“孔雀计划 C 类”，2021年入选杭州市高层次 D 类人才，主持国家自然科学基金和浙江省自然科学基金。
黄又举：教授，博士生导师，国家优青，杭州师范大学材料与化学化工学院副院长。2010年博士毕业于中国科学技术大学，师从李良彬教授。2010-2014年在新加坡南洋理工大学做博士后。2014-2019年在中科院宁波材料所工作，任副研究员/项目研究员。2017-2018年，在德国马普所高分子所做访问学者。2019年9月入职杭州师范大学，组建纳米生物传感器关键材料团队。以通讯作者在Science Advances，Journal of the American Chemical Society，Angewandte Chemie International Edition，Advanced Materials,Chemical Society Reviews等期刊上发表SCI论文100余篇。被引用12000余次，H因子为58。授权中国和美国发明专利35件。主持科研项目20余项，包括7项国家自然科学基金。获首届浙江省青年科技英才奖（2021年），浙江省自然科学二等奖（2023年，第一完成人）和全国"挑战杯"揭榜挂帅专项赛一等奖（2024年，指导老师）。入选浙江省海外高层次人才引进计划（2016年）和国家自然基金委优秀青年项目（2022年）。
北京泊菲莱科技有限公司（Beijing Perfectlight）成立于2006年，是国家级高新技术企业、中关村高新技术企业及北京市首批“专精特新”企业，通过 ISO 9001/14001/45001 管理体系认证，售后服务达 GB/T 27922-2011 五星级标准。公司专注于智能化、高精度、高性能设备及整体解决方案的研发、生产、销售与服务，产品涵盖光源、光/光电/光热/热催化装置、表征测试系统、产研装置与光合成设备等十余系列，支撑从基础研究、小试中试到工业化放大。泊菲莱面向高校、研究所及企业，重点服务新能源、药物合成、精细化工与新材料等领域；产品已进入 3000+ 实验室、远销近 50 个国家，累计支撑发表 SCI 论文 9000+ 篇。公司牵头或参与国家与行业标准制定，承担国家重点研发计划，拥有多项核心知识产权与“北京市新技术新产品”认证，并已助力多家企业用户建成吨级与百吨级光化学生产线。
本文采用PLS-FX300HU高均匀性一体式氙灯光源进行实验，该光源专为光电材料测试而设计，其主要特性如下：
光斑灵活可调：可输出10×10 mm²至50×50 mm²的矩形均匀光斑，尺寸连续可调，能满足不同尺寸光电极的辐照需求；
高均匀性：光斑均匀度极高。在光斑尺寸不大于20×20 mm²时，其均匀性可达到A级太阳模拟器标准，尤其适用于光电转换效率（IPCE）的精确测量；
高光强：输出光功率密度限制值≥3000 mW/cm²(光斑大小10×10 mm²，调焦筒直接输出)，可满足高强度均匀光的实验需求；
精确调节：支持通过调节电流或使用电动光阑两种方式，对输出光强度进行精细化控制。
