Page 104 - 《精细化工》2022年第3期

·526· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

环境污染治理是人类面临的重要问题，半导体光 貌和光学性质进行了表征和分析。
催化降解技术是一种以半导体材料为基础，以太阳
能为驱动力的新型污染控制技术 [1-3] 。TiO 2 是一种典 1 实验部分
型的半导体光催化剂，由于其化学稳定性高、成本 1.1 试剂与仪器
低、无毒等优点在光催化降解方面得到广泛的研究 [4-6] 。
[7]
然而，锐钛矿型 TiO 2 的光学带隙约为 3.2 eV ，使其 钛碳化铝（Ti 3 AlC 2 ）、HF、氟硼酸钠（NaBF 4 ）、
只能响应紫外光，这在很大程度上限制了 TiO 2 在光 尿素、草酸铵、1,4-苯醌、罗丹明 B（RhB）、硫酸
催化降解领域的实际应用。因此，许多研究都致力 钡，国药集团化学试剂有限公司；5,5-二甲基-1-吡
于改善其可见光响应能力。研究表明，通过在 TiO 2 咯啉-N-氧化物（DMPO），上海阿拉丁生化科技股
[8]
[9]
中掺杂非金属元素 N 、C 、F [10] 等可以达到缩小 份有限公司。所用试剂均为分析纯。去离子水为实
带隙、提高可见光利用率的目的。其中，N 掺杂是 验室自制。
最有效的方法之一，因为 N 元素具有与 O 元素类似 D8 X 射线衍射仪，德国 Bruker AXS 有限公司；
的特性，如电子极化率、电负性、粒子半径等 [11-12] 。 JEM-2100 透射电子显微镜、S-4800 场发射扫描电子
PARK 等 [13] 通过接枝聚合方法制备了 N-TiO 2 复合 显微镜，日本日立株式会社；AXIS-165 X 射线光电
材料，尽管方法相对繁琐，但 N 2p 原子轨道可以与 子能谱仪、UV-3600 plus 紫外-可见-近红外分光光度
计、TU-1901 紫外-可见分光光度仪、EMXplus-10/12
O 2p 混合，且混合在 O 2p 中的 N 2p 可以在 TiO 2
价带以上的位置形成一个新的能级，从而缩小带隙 电子自旋共振波谱仪（ESR）、TOC-VCPN 总有机碳
宽度，增强材料对可见光的吸收能力。虽然，N 元 分析仪，日本岛津公司；ASAP2020MP 全自动比表
素的掺杂可以将 TiO 2 的光响应范围扩展到可见光区 面积及微孔物理吸附仪，美国麦克仪器公司。
域，使其能被可见光激发产生光生电子-空穴对，但 1.2 催化剂的制备
电子-空穴对极易重组，导致光生载流子的利用率 1.2.1 Ti 3 C 2 MXenes 纳米片的制备
[2]
低，这对于 TiO 2 光催化性能的提升是非常不利的 。 Ti 3 C 2 MXenes 纳米片通过常温下 HF 刻蚀
通过与助催化剂组合形成复合催化剂可优化 Ti 3 AlC 2 得到。首先，称量 0.5 g Ti 3 AlC 2 粉末，并将
TiO 2 光生电子-空穴的分离特性问题。MXenes 是一 其沉浸在 40 mL 质量分数 40%的 HF 溶液中，常温
类新型的二维（2D）过渡金属碳化物或氮化物 [14] ， 下搅拌 72 h。然后收集沉淀物，用去离子水反复洗
具有优异的电子导电性，使电荷更容易从半导体转 涤多次，直到沉淀物的 pH 达到中性。将样品放入真
移到 MXene 上，提高了电子与空穴的分离效率，是 空干燥箱中 60 ℃烘干，得到 Ti 3 C 2 MXenes 纳米片。
一种用于光催化降解的极具潜力的助催化剂 [15] 。 1.2.2 TiO 2 /Ti 3 C 2 和 N-TiO 2 /Ti 3 C 2 复合材料的制备
MXenes 可以通过选择性剥离三元碳化物、氮化物 通过溶剂热法制备 N-TiO 2 /Ti 3 C 2 复合材料。首
或碳氮化物来生成。HUANG 等 [16] 制备了基于 Ti 3 C 2 先，称取 0.1 g Ti 3 C 2 MXenes、0.165 g NaBF 4 和 0.4 g
MXene 的 N 掺杂 TiO 2 @C，提高了可见光下 N 掺杂 尿素加入到 15 mL 1 mol/L 的 HCl 溶液中，搅拌、
TiO 2 复合光催化材料对苯酚的降解，但催化剂制备 超声 30 min，让其充分混合。然后，将上述悬浮液
过程需要 550 ℃高温煅烧。JIANG 等 [17] 制备了 Pt/ 转移到水热反应釜中，置于烘箱中在 160 ℃保持
N-TiO 2 /Ti 3 C 2 用于串联反应生成酰胺，速度快于一般 12 h。反应结束后，待反应釜温度冷却至室温，收
的加热反应，不过催化剂制备过程也需要 400 ℃高 集到浅黑色沉淀，用去离子水洗涤至中性，将其放
温煅烧，且掺杂 TiO 2 并不是原位生成的。因此，选 入真空干燥箱中 60 ℃烘干，得到 N-TiO 2 /Ti 3 C 2 复合
用 Ti 3 C 2 MXenes 为助催化剂，同 N 掺杂的 TiO 2 纳 材料。TiO 2 /Ti 3 C 2 复合材料的制备同 N-TiO 2 /Ti 3 C 2 复
米片组合成二维复合材料是一种可行的改善光催化 合材料的制备方法类似，只是在制备过程中不加入
活性的策略，但如何更温和更有效地与 TiO 2 复合还 尿素。
需进一步探索。 1.3 表征
本文以 Ti 3 AlC 2 为前驱体，经 HF 刻蚀生成 Ti 3 C 2 通过 XRD 分析材料的晶相结构。用 SEM、TEM
MXenes，再通过简单的溶剂热反应原位合成出 N 掺 和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对催化剂的微
杂的 TiO 2 /Ti 3 C 2 MXenes（N-TiO 2 /Ti 3 C 2 ）复合材料。 观形貌和晶格结构进行观察。用 XPS 分析材料的元
N 元素的掺杂可以提高 TiO 2 对可见光的利用率，同 素组成和化学成键状态。紫外-可见漫反射光谱
时助催化剂 Ti 3 C 2 MXenes 加速了载流子的分离和转 （UV-Vis DRS）用来分析催化剂在紫外、可见、近
移，从而提高了光催化活性。对催化剂的结构、形 红外区域内的光吸收能力。采用光致发光光谱仪