編號：CYYJ02657
篇名：Ti3C2 MXene助催化劑組裝的介孔TiO2用以增強(qiáng)光催化甲基橙降解和產(chǎn)氫活性
作者：李華鵬 孫彬 高婷婷 李歡 任永強(qiáng) 周國偉
關(guān)鍵詞： 介孔TiO2 靜電自組裝 Ti3C2MXene 助催化劑 光催化降解 光催化產(chǎn)氫
機(jī)構(gòu)： 齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）化學(xué)與化工學(xué)院
摘要： 利用太陽能驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體光催化劑進(jìn)行光催化降解污染物和產(chǎn)氫被認(rèn)為是解決環(huán)境問題和能源危機(jī)最有效的方法之一.在眾多的半導(dǎo)體光催化劑中,TiO2因其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、環(huán)境友好和成本低等優(yōu)點(diǎn),在光催化領(lǐng)域具有不可或缺的作用.介孔TiO2由于具有獨(dú)特的介孔結(jié)構(gòu),更有利于光催化過程中反應(yīng)物的吸附和傳輸.然而,單一TiO2具有較高的光生載流子重組效率和低的光利用率等缺點(diǎn),導(dǎo)致其光催化活性低.通過負(fù)載助催化劑可以增強(qiáng)光吸收、促進(jìn)光生載流子的分離以及提供更多活性位點(diǎn),是提高光催化活性的一種有效策略.目前,常用的高效助催化劑主要為貴金屬,如Pt,Pd和Au等,但昂貴的價(jià)格及稀缺性限制了其在未來的廣泛應(yīng)用.因此,尋找新型的非貴金屬助催化劑來提高光催化劑的活性具有重要意義.MXene作為一種新型的二維過渡金屬碳化物和/或氮化物,具有豐富的表面親水性官能團(tuán)、良好的金屬導(dǎo)電性和較高的載流子遷移率等特性,適合用于光催化中作為助催化劑來提高光催化性能.受此啟發(fā),本文利用靜電自組裝策略將介孔TiO2納米顆粒均勻地固定在Ti3C2MXene助催化劑上,構(gòu)建了緊密的介孔TiO2/Ti3C2復(fù)合材料,并研究其光催化降解甲基橙(MO)和產(chǎn)氫性能.Zeta電位測試結(jié)果表明,帶有相反表面電荷的介孔TiO2和Ti3C2可以通過靜電作用構(gòu)筑穩(wěn)定的復(fù)合材料.X-射線粉末衍射、拉曼光譜、X-射線光電子能譜(XPS)、透射電子顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡等表征也進(jìn)一步表明,成功制備了介孔TiO2/Ti3C2復(fù)合材料.XPS也證明在復(fù)合材料中光生電子從TiO2轉(zhuǎn)移到Ti3C2助催化劑上,表明兩者之間具有強(qiáng)相互作用.BET測試結(jié)果表明,相比單一的介孔TiO2,復(fù)合材料具有更大的比表面積和孔體積,可提供更多的活性位點(diǎn),有利于提高光催化活性.紫外-可見漫反射光譜表明,Ti3C2助催化劑的引入提高了材料的光吸收能力.熒光光譜、時(shí)間分辨熒光光譜、光電流密度和電化學(xué)阻抗等測試結(jié)果表明,復(fù)合材料具有優(yōu)異的光生載流子分離和轉(zhuǎn)移能力.在光催化性能測試中,最佳Ti3C2含量(3wt%)的介孔TiO2/Ti3C2復(fù)合材料在40 min內(nèi)對MO的光催化降解效率可達(dá)99.6%,并利用自由基捕獲實(shí)驗(yàn)和電子自旋共振表征證實(shí)了活性物種·O2-和·OH在光催化降解過程中起主要作用.此外,該復(fù)合材料也表現(xiàn)出了較好的產(chǎn)氫性能(218.85μmolg-1h-1),約為單一介孔TiO2的5.6倍,且三次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定的產(chǎn)氫效率.綜上,MXene族材料可以作為一種高效的非貴金屬助催化劑應(yīng)用于光催化領(lǐng)域.
