基于MXene-氧化物复合材料的制备及其光催化性能研究

作     者：李华鹏 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周国伟

授予年度：2022年

学科分类：081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0703[理学-化学] 

主      题：MXene基复合材料 光催化 产氢 降解 电荷分离 

摘      要：环境污染及能源危机被列为人类未来五十年最需紧迫解决十大问题的前两位,而以取之不尽的太阳能驱动,绿色、无二次污染的半导体光催化技术成为受科研工作者青睐的理想手段。本论文主要是将合成的半导体纳米材料通过自组装策略与不同维度的非贵金属助催化剂MXene进行耦合制备复合材料,并探究其光催化性能。在研究工作中,分别制备了零维(0D)/二维(2D)介孔Ti O纳米颗粒/TiC纳米片复合材料及2D/0D BiWO纳米片/TiC量子点(QDs)复合材料,并探究其理化性质及在光催化领域的应用表现。主要研究内容如下:(1)利用静电自组装策略将介孔Ti O纳米颗粒均匀地锚定在TiCMXene助催化剂上,构建了紧密的0D/2D结构介孔Ti O/TiC复合材料,并研究其光催化降解甲基橙(MO)和产氢性能。Zeta电位测试结果表明,带有相反表面电荷的介孔Ti O和TiC可以通过静电作用构筑稳定的复合材料。X-射线粉末衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X-射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等表征也进一步证实了介孔Ti O/TiC复合材料被成功制备。此外,XPS也证明在复合材料中光生电子从Ti O转移到TiC助催化剂上,表明两者之间强的相互作用。比表面积(BET)测试结果表明,相比单一的介孔Ti O,复合材料具有更大的比表面积和孔体积,可提供更多的活性位点,这对提高光催化活性极为有利。紫外-可见(UV-vis)漫反射光谱表明,TiC助催化剂的引入提高了材料的光吸收能力。荧光光谱(PL)、时间分辨荧光光谱(TRPL)、光电流密度和电化学阻抗等测试结果表明,复合材料具有优异的光生载流子分离和转移能力。在光催化性能测试中,最佳TiC含量(3 wt%)的介孔Ti O/TiC复合材料在40 min内对MO的光催化降解效率可达99.6%,并利用自由基捕获实验和电子自旋共振表征(ESR)证实了活性物种·O和·OH在光催化降解过程中起主要作用。此外,该复合材料也表现出了良好的产氢性能(218.85μmol gh),约为单一介孔Ti O的5.6倍,且三次循环后仍保持稳定的产氢效率。综上所述,MXene族材料可以作为一种高效的非贵金属助催化剂应用于光催化领域。(2)首先通过水热法制备出了2D BiWO纳米片;然后以TiAl CMAX相为前驱体,使用HF刻蚀、插层辅助超声剥离制备了少层TiCMXene;又采用水热法制备了尺寸均在10 nm以内均匀分散的0D TiCQDs;最终通过自组装法将BiWO纳米片和TiCQDs进行复合,成功制备了具有2D/0D结构的BiWO/TiCQDs复合材料。通过控制TiCQDs的负载量(1 wt%、3 wt%、5 wt%及7 wt%)不同,将制备的样品命名为BTQDs-1%、BTQDs-3%、BTQDs-5%、BTQDs-7%。通过XRD、Raman和XPS对样品进行分子结构、元素化学态和电子态等物相分析,并通过TEM和SEM对样品的表观和微观形貌进行了观察,充分证明了BiWO/TiCQDs复合材料的成功合成,并证明二者之间存在强相互作用和电子移动。同时通过UV-vis光谱测试了制备材料的光吸收能力并计算其带隙。将制备的材料应用于光催化降解阿莫西林,评价了其光催化性能表现。结果显示,当TiCQDs负载量为3%时,复合材料BTQDs-3%具有最优的光催化性能,2 h内对阿莫西林的降解率可达69.8%,约为纯BiWO纳米片的2.1倍。以上结果证明TiCQDs在保留MXene族材料固有优势的同时兼具尺寸优势,可作为高效的非贵金属助催化剂应用于光催化领域。