高效、经济和环保是电化学水分解制氢电催化剂的关键要素。二维(2D) MXene材料因其独特的物理化学性质而受到广泛关注。虽然有许多不同种类的MXene材料，但只有少数具有本征析氢反应(HER)催化活性。然而，MXene材料具有很多优点，如较大的比表面积、高电导率和丰富的表面官能团，因此可以作为与其他物质复合的理想平台。本研究首先通过密度泛函理论(DFT)预测了CoP与Ti₃C₂T_x MXene (其中T_x =―F和―OH官能团)具有低的氢吸附自由能(ΔG_H*)。接着，我们合成了CoP-Ti₃C₂T_x MXene纳米复合材料，并在0.5 mol∙L⁻¹ H₂SO₄中测试了其电催化HER性能。该材料在电流密度为10 mA∙cm⁻²时表现出了低的过电位(135 mV)和Tafel斜率为48 mV∙dec⁻¹。理论计算表明，CoP-Ti₃C₂T_x MXene纳米复合材料的优异电催化性能源于Ti₃C₂T_x的高类金属导电性、良好的界面电荷转移、快速的氢吸附/解吸过程以及优化的电子结构。

利用取之不尽的太阳能资源进行光催化水裂解制氢是缓解全球能源危机、实现碳中和战略的一项有前景的技术。石墨相氮化碳(g-C₃N₄)因成本低且稳定性高在光催化产氢领域备受关注。然而，纯g-C₃N₄存在表面积小、电子转移慢、光生载流子复合快等缺陷，产氢性能通常不佳。本研究通过直接热解硫酸铵和三聚氰胺混合物，成功实现硫物种对g-C₃N₄氮位点的原位取代，开发出一种高效的硫掺杂g-C₃N₄ (S-g-CN)光催化剂。系列结构和光谱表征证实硫的成功掺杂。密度泛函理论的第一性原理计算表明S活性位对氢的吸附吉布斯自由能近乎为零(~0.26 eV)，揭示S掺杂在优化H活性中间体吸附和解吸过程中起着重要作用。透射电子显微镜和原子力显微镜测试结果表明，S-g-CN具有超薄的纳米片状结构，其片层厚度约为2.5 nm。随后的氮气吸脱附等温线和光电化学性质测试结果表明，S掺杂不仅可显著增大g-C₃N₄比表面积，而且还能有效提高其光生电子-空穴对的转移、分离和氧化还原能力。得益于材料良好的结构特性，S-g-CN的光催化产氢速率高达4923 μmol∙g⁻¹∙h⁻¹，是原始g-C₃N₄的28倍，超越诸多最近报道的其它S掺杂g-C₃N₄光催化剂。而且，S-g-CN的表观量子效率高达3.64%。本研究除了开发一种高效的光催化剂，还将为高性能g-C₃N₄基催化剂的设计提供有益借鉴。