近年来,环境污染成为世界性的难题,尤其是发展中国家的饮用水污染问题成为亟待解决的难题之一,科研人员将废水的处理和再利用作为重点进行了孜孜不倦的技术探索。光催化氧化技术通过光能转换为化学能,为水处理和新能源开发开拓了一种绿色环保的途径。为了满足水处理和有机污染物去除领域中光催化材料的新兴需求,二维材料由于其特殊的层状结构和优异的化学性质而引起广泛关注。MXene作为一种2011年发现的新型二维材料,因其独特的层状结构、高化学稳定性以及良好的导电性,在锂离子电池和储能领域已广泛应用。实际上,MXene还具有较高的载流子迁移率、亲水性以及适合的氢吸附自由能等特点,可作为助催化剂应用于光催化材料的改性,但是,目前将其作为光催化剂应用于有机污染物降解领域的研究少有报道。 本文以Ti3C2型MXene材料为基础,通过构建异质结结构、运用表面等离子共振作用和光催化Fenton效应等方法设计并合成了新型复合光催化剂,以此来降低催化剂的光生电子-空穴对的复合率、调整能级结构、拓展光响应范围以及提高含氧自由基产率,进而提高光催化活性。主要研究内容和成果如下: (1)Ti3C2与热解产物TiO2@Ti3C2复合材料的制备和界面电荷转移特性研究。以三元陶瓷材料Ti3AlC2为原料,采用氢氟酸选择性刻蚀制备Ti3C2材料。EDS和FT-IR表征结果表明通过湿化学刻蚀法制备的Ti3C2表面吸附有-OH/-O官能团,具有较低的功函数,可作为助催化剂促进电子转移。以Ti3C2为原料,通过改变热解温度探究它的热稳定性及产物。通过TG-DTA、SEM和XRD表征可知,当热解温度高于200℃时,Ti3C2会与O2发生氧化反应生成以锐钛矿型为主的TiO2,并原位生长于Ti3C2层状结构表面及层间,构成TiO2@Ti3C2复合材料。通过机理探究可知,TiO2与Ti3C2界面接触形成的肖特基势垒,有助于光生电子-空穴定向移动。 (2)TiO2@Ti3C2/g-C3N4复合催化剂的制备及光催化机理的探究。从构建p-n型异质结结构为理论依据,以TiO2@Ti3C2为前驱体,在水热条件下复合半导体g-C3N4,制备出苯胺降解率达到76.3%的TiO2@Ti3C2/g-C3N4复合光催化剂。UV-visDRS结果表明复合催化剂吸收边缘红移,禁带宽度也窄化为2.3eV。通过机理分析可知,g-C3N4半导体与TiO2@Ti3C2界面接触形成的p-n异质结,在有效促进光生电子转移的同时,能够调整复合物能带结构,将复合物的催化活性拓展到可见光范围,提高光催化活性。 (3)g-C3N4/Ti3C2-Ag复合催化剂的制备及光催化机理的探究。从Ag纳米颗粒表面等离子共振作用出发,通过Ag和Ti3C2双助催化剂的方法对g-C3N4单体进行改性。SEM和TEM的微观结构示意图表明贵金属Ag以20~50nm纳米颗粒均匀沉积分散在Ti3C2层状结构上,UV-visDRS测试结果表明g-C3N4/Ti3C2-Ag复合物光强增大,由此间接证明Ag纳米颗粒SPR效应的存在。通过探究光催化反应机理可知,双助催化剂使g-C3N4产生的光生电子由Ag纳米颗粒传递逐步地传递到Ti3C2表面,空穴则留在g-C3N4价带,由此抑制光生载流子的复合。此外,Ag纳米颗粒的SPR效应可以在反应中产生“热电子”,增加了反应体系的量子产率。 (4)TiO2/Ti3C2/Fe3O4和Ce-TiO2/Ti3C2复合催化剂的制备及光催化Fenton反应机理的探究。根据Fenton反应与光催化反应的协同效应,设计合成了Fe系磁性Fenton光催化剂TiO2/Ti3C2/Fe3O4和非Fe系类Fenton光催化剂Ce-TiO2/Ti3C2,并将它们应用于降解苯胺反应。结果表明,8h后,Fe系TiO2/Ti3C2/Fe3O4的最高降解率为91.3%,非Fe系Ce-TiO2/Ti3C2的最高降解率为86.5%。通过机理分析证明光催化反应与Fenton反应间存在协同作用,一方面,具有高价位的Fe3+和Ce4+与光生电子反应生成Fe2+和Ce3+,拓宽Fenton反应的pH限制,促进氧化还原对的循环,同时促进光催化反应中光生电子空穴对的分离;另一方面,光生电子所带电势高于O2的多步还原电位,因而在光催化反应中可生成H2O2,为Fenton反应提供原料。