Page 67 - 《精细化工》2021年第12期
P. 67

第 12 期                    侯建华，等: MXenes 及其复合材料在环境领域中的应用                                 ·2429·


            自还原反应过程成功制备出 MXene 基纳米复合材                          用光催化将 CO 2 还原为燃料或其他有用的化学品是
            料（聚乙烯醇/聚丙烯酸 MXene/Fe 3 O 4 纳米聚合物），                 一种解决能源危机和环境问题的思路。由于 CO 2 活
            该材料具有良好的纤维结构、热稳定性和磁性。而                             化困难，而满足活化要求的、具有表面缺陷和强还
            且该复合纳米纤维膜对 4-硝基苯酚和 2-硝基苯胺表                         原性的活性位点的材料（如贵金属）大多价格昂贵，
            现出优异的催化能力和循环稳定性（催化反应的反                             难以大规模应用，因此，寻找合适的催化材料是推
                                            –1
            应速率分别可达 0.168 和 0.152 min ），不过该材料                  动 CO 2 的还原研究的关键。SUN 等           [64] 根据 DFT 计
            对其他污染物的降解效果一般，但作为高选择性吸                             算发现，Ti 3 C 2 对 CO 2 的吸附量大于对 H 2 O 和 N 2 的
            附剂的优势很大。                                           吸附量，原因在于 Ti 3 C 2 在被氢氟酸刻蚀过程中产生
                 MXenes 及其复合材料在光催化降解污染物领                       的表面缺陷也是 CO 2 的活性位点。该研究表明，Ti 3 C 2
            域具有优异的表现，吸附容量大，选择性和稳定性                             在 CO 2 还原领域具有潜在的应用价值。因此，满足
            较好，在针对特定污染物方面的潜力巨大。                                活化需求且价格相对低廉的 Ti 3 C 2 常被用于 CO 2 还
            3.5  MXenes 及其复合材料用于产生清洁能源                         原 [65] 。大量实验表明，MXenes 还原 CO 2 的效率高，
                 氢能是公认的环境友好的清洁能源，利用太阳                          而且能同时实现多电子 CO 2 还原反应，从而使中间
            能进行光催化析氢是清洁能源方面的主要研究方                              产物的生成量降到最低水平，大大提高了还原效率。
            向。但多数光催化剂开发成本较高或其活性不能满                                 例如，CAO 等     [66] 利用在 Ti 3 C 2 超薄纳米片表面
            足需求，而就这两方面来说，MXenes 表现良好，用                         上的 Bi 2 WO 6 的原位生长成功制备出超薄 Ti 3C 2/Bi 2 WO 6
            MXenes 作光催化剂的活性较高，其成本与其他贵金                         纳米片 2D/2D 异质结。Ti 3 C 2 /Bi 2 WO 6 复合材料具有
            属催化剂相比也较低，因此 MXenes 及其复合材料                         较短的电荷传输距离和较大的界面接触面积，保证
            在光催化析氢方面也有较大优势。                                    了优异的电荷转移能力。同时，该材料的比表面积
                 JIA 等 [62] 以 MXene 为原料合成了具有多角花状               和孔结构得到了改善，增强了其对 CO 2 的吸附能力。
            结构的高碳掺杂 TiO 2 （HC-TiO 2 ），该材料丰富的碳                  该材料将 CO 2 还原成 CH 4 和 CH 3 OH 的效率（可达
            分层结构可以改变其电子结构并调节 TiO 2 的带隙以                        0.069 mmol/g）是原始 Bi 2 WO 6 的 4.6 倍。该研究为
            扩大 TiO 2 的光吸收范围，HC-TiO 2 的光催化析氢产                   构建 2D/2D 光催化体系提供了一种新的方案，并证
            率是商业 TiO 2 的 9.8 倍，该研究充分表明了 MXene                  明了 Ti 3 C 2 是一种有应用前景、廉价的助催化剂。
            材料在光催化析氢领域的能力。                                     LOW 等  [67] 利用煅烧法在 Ti 3 C 2 上原位生长了 TiO 2
                 HU 等  [63] 的理论计算研究表明，具有—O 或                   纳米粒子。TiO 2 纳米粒子在 Ti 3 C 2 上的均匀分布使
            —OH 终端基团的 MXenes 在光催化领域是一种潜                        复合材料具有独特的稻壳状结构，具有大量的表面
            力巨大的辅助催化剂，原因在于该 MXenes 具有上                         活性位点，同时 Ti 3 C 2 的超高电导率促进了光致电
            下两层的可以作为催化活性位点的表面氧原子，而
                                                               子转移，抑制了其与光致空穴的复合。该 TiO 2 /Ti 3 C 2
            且—OH 基团可以促进 MXenes 与半导体耦合形成                        复合材料的光催化 CO 2 还原性能（0.22 mmol/h）是
            复合材料，从而提高其光生电荷的利用率。此外，                             商用 TiO 2 的 3.7 倍。
            氢的吸附量与 MXenes 的—O 终端息息相关。根据
                                                                   MXenes 及其复合材料在 CO 2 还原领域扮演着
            终端基团与光催化性能的关系，可以选择出最有利
                                                               重要的角色，不过该研究仍处于基础研究阶段，CO 2
            于析氢反应的催化剂。如 RAMALINGAM 等                [24] 通过
                                                               还原的产物产量一般为 μmol 或 mmol 级别，停留在
            配位相互作用合成了 Ru SA -Ti 3 C 2 T x 催化剂，该催化
                                                               实验室水平，尚未达到规模化生产的水平，而且目
            剂可以实现光电化学制氢，其光电流密度极高，为                             前 CO 2 还原产物主要为 C 1 产物，有关 C 2+ 产物的报
                       2
            37.6 mA/cm ，高于报道的贵重金属 Pt 和其他贵金
                                                               道较少。
            属催化剂。密度泛函理论（DFT）计算表明，Ru SA
            与 Ti 3 C 2 T x  MXene 支持物上的 N 和 S 位点配合是这           4   结束语与展望
            种增强的析氢反应活性的起源。这项工作将拓展
            MXenes 作为各种单原子催化剂的研究。                                  MXenes 是一种很有前途的二维层状纳米材料，
                 MXenes 及其复合材料作为光催化析氢催化剂                       MXenes 及其复合材料常被广泛应用于环境修复，其
            具有良好的催化性能，有利于在较低成本下获得更                             具有优异的放射性核素去除能力、海水淡化能力、
            好的析氢性能。                                            重金属去除能力、降解有机物能力，在解决新能源
            3.6  MXenes 及其复合材料在 CO 2 还原领域中的应                   问题上也有较好的表现，其性能目前看来是优于其
                 用                                             他常规污染物吸附剂和其他二维材料。虽然 MXenes
                 温室效应及能源使用都在影响环境的变化，利                          的研究已经取得了巨大进展，但仍有几个挑战需要
   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72