Ti3C2二维MXene材料光电催化特性研究

作     者：周倩玉 

作者单位：西藏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王世锋

授予年度：2022年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：MXene Ti3C2 光催化 电催化 

摘      要：近年来随着研究人员对二维材料的不断研究,发现这种材料在许多领域中都带来了及其可观的突破,这样的发现使二维材料具有重要的研究价值。在二维材料的发展历程中,二维(2D)过渡金属碳化物/氮化物(MXene)因独有的结构特性而受到研究人员的广泛关注。作为MXene材料中最早被制备出来的成员,TiC既具备高稳定性、灵活调控等特点,又具有丰富活性位点,所以在应用方面具有非常广泛的前景。尤其在催化领域中,MXene显示出了优越的应用潜能。结合西藏地区丰富的太阳能资源与水资源及其开发与利用,本篇论文的主要研究内容为二维TiCT材料的制备与其光电催化性能研究,通过实验探究了不同刻蚀条件对TiCT的结构的影响,进一步制备了TiCT复合材料,并研究其光/电催化性能,具体研究结果如下:(1)不同刻蚀条件对TiCT的结构的影响:本文采用碱(NaOH)辅助水热法制备了TiCT。因制备材料中不含HF,该方法的制备的条件相对温,过程也更加环保。实验探究了温度、NaOH浓度和刻蚀时间对刻蚀效果的影响。通过表征与测试,表明当温度为280℃、NaOH浓度为29.5 M、刻蚀时间为18小时,刻蚀效果最好,成功制备出具有六方结构的TiC二维纳米片,其晶格常数为:a=b=3.05(?),c=23.86(?)。此外,通过对样品进行测试后,发现随着刻蚀时间的增加,样品的结晶程度提高,但样品表面纳米片容易发生碎裂。(2)通过高温煅烧二维TiCT材料,在线制备了TiC/TiO异质结。因其在水溶液中溶解度较差,采用了AgPO作为负载材料。TiC/TiO/AgPO在线异质结前三分钟降解率达到了82.1%,同AgPO相比加快了21.8%,说明TiC/TiO在线异质结,能够促进光生载流子的分离和扩散,提高光催化性能。TiC/TiO/AgPO对罗丹明B的降解在前10分钟趋于稳定,达到了97.6%,而TiC+TiO+AgPO混合材料对罗丹明B的降解在前10分钟只有73.2%,从另一个方面也说明了TiC原位生长TiO异质结产生协同效应,提高了光催化效率。(3)制备了TiC/NiFeMn-LDH复合电催化材料。测试结果显示TiC/NiFeMn-LDH的过电位达到了408 mV,塔菲尔斜率为70 mV dec,比NiFeMn-LDH分别提升了3.7%和21.4%,可媲美商用催化电极RuO。这归因于层状TiC的高导电率,从而降低了电催化剂的反应电阻,相比NiFeMn-LDH降低了46.3%,显著的提高了复合电催化材料的电催化活性。二维TiC材料及其复合材料具有加强光催化、电催化性能的优势,通过优化二维TiC材料的制备条件,提高了光催化效率,改善了复合材料在光电催化性能上存在的缺陷,为二维TiC材料的应用提供了坚实基础。通过与其他材料复合,制备了一系列具有光/电催化活性的复合材料,为拓展光/电催化材料提供了理论基础。结西藏地区的丰富的光能资源和水资源,二维TiC材料在西藏新能源发展以及环境保护领域展示出重要的应用前景。