二維層狀Ti3C2材料在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

羅 強(qiáng)

0 引言

自從石墨烯（Graphene）于2004年被成功制備以來，二維層狀材料逐步成為材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。二維層狀材料最顯著的特點(diǎn)是，某一維度上的尺寸遠(yuǎn)小于另外兩個(gè)維度上的尺寸，致使此類材料具有非常獨(dú)特的物理化學(xué)特性。目前，多種二維層狀材料已經(jīng)被成功的研發(fā)出來，如過渡族金屬硫化物、金屬有機(jī)框架材料、共價(jià)有機(jī)框架材料等。2011年，一類新型的二維過渡族金屬碳/氮化合物，MXenes材料，被成功制備出來[1]，并于近年來被逐步應(yīng)用于鋰離子電池、超級(jí)電容器等領(lǐng)域[2-3]。

MXenes材料表面擁有大量的親水功能基團(tuán)（-OH和-O），這些功能基團(tuán)能夠使MXenes材料與眾多半導(dǎo)體材料之間構(gòu)筑起牢固的連接；此外，MXenes材料具有優(yōu)良的金屬導(dǎo)電性，能夠確保載流子在其表面進(jìn)行有效的遷移[4]。以上這些優(yōu)良的特性，使MXenes材料作為助催化劑在光催化領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。近幾年來，作為最早被合成出來的和最具代表性的MXenes材料，Ti3C2被一些研究者應(yīng)用于光催化領(lǐng)域，有效地改善了以TiO2為代表的多種光催化劑的光催化活性。

1 Ti3C2對TiO 2光催化劑改性的應(yīng)用研究

TiO2因具有成本低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒和氧化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為迄今為止研究最為廣泛的光催化材料，但是純TiO2存在帶隙寬和光生電子空穴對容易復(fù)合的不足，因此，需要對其進(jìn)行改性，以期提高其光催化活性。基于此，研究者們分別采用了不同的工藝，成功制備出Ti3C2/TiO2復(fù)合光催化劑，有效地改善了TiO2的光催化活性。

Yupeng Gao等人[5]采用水熱方式，使TiO2納米顆粒在Ti3C2表面成核，形成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并在紫外光照射下，考察了所制備材料對甲基橙的降解效率，結(jié)果顯示異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)具有比純TiO2納米材料更高的光催化活性。Chao Peng等人[6]通過一種簡易的水熱方法，將Ti3C2進(jìn)行了部分氧化，成功地合成了由暴露{001}晶面的TiO2納米片和層狀Ti3C2組成的復(fù)合物，并對光催化機(jī)理進(jìn)行了深入的分析。經(jīng)過理論分析可知：一方面，高活性的TiO2的{001}晶面在光催化過程中能夠促進(jìn)光生電子-空穴對的產(chǎn)生；另一方面，二維Ti3C2的界面肖特基結(jié)能夠有效地捕獲光生空穴，促使光生載流子產(chǎn)生了良好的空間分離效果。以上兩方面因素促使復(fù)合物對甲基橙具有很好的降解效果。Qiang Luo等人[7]采用水熱處理結(jié)合后續(xù)氬氣氣氛中煅燒的工藝，制備出了由TiO2納米顆粒和窄層間距的Ti3C2組成的復(fù)合物，TiO2和Ti3C2之間形成了良好的界面異質(zhì)結(jié)。后續(xù)的煅燒過程促進(jìn)了TiO2的結(jié)晶、Ti3C2層間距的減小和Ti3C2表面Ti-O數(shù)量的增加，這些因素有效地提高了光生電子和空穴的分離效率，使復(fù)合物針對亞甲基藍(lán)展示出比純TiO2和Ti3C2更高的光催化活性。

2 Ti3C2對其他光催化劑改性的應(yīng)用研究

除TiO2之外，還有許多其他的半導(dǎo)體光催化材料被廣泛地研究，極大地推動(dòng)了光催化技術(shù)的發(fā)展。但是，大多數(shù)單一的光催化材料一般都存在光量子效率低和可見光響應(yīng)差的不足。為了改善這些光催化材料的光催化活性，研究者們做了大量的工作。近幾年來，有部分研究者采用Ti3C2作為助催化劑，與一些光催化材料進(jìn)行復(fù)合，以提高它們的光量子效率、拓展它們的光響應(yīng)范圍，使它們在水中有機(jī)污染物降解和制氫領(lǐng)域具有更大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

Jingrun Ran等人[4]通過密度泛函理論計(jì)算，在原子尺度上探索、設(shè)計(jì)和制備了Ti3C2納米顆粒，并以Ti3C2納米顆粒作為助催化劑，通過水熱方式將其與CdS進(jìn)行復(fù)合，獲得了非常高的可見光光催化制氫活性，這種高性能源自于Ti3C2納米顆粒的有利的費(fèi)米能級(jí)位置、導(dǎo)電率和析氫能力。Weiwei Lian等人[8]通過簡易沉淀法制備了BiOCl/Ti3C2納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合物，花瓣?duì)畹腂iOCl在Ti3C2表面上生長，在可見光照射下對甲基橙的降解實(shí)驗(yàn)顯示：復(fù)合物比純BiOCl具有更高的降解效率，其原因是Ti3C2有效地促進(jìn)了光生電子和空穴的分離。Yuliang Sun等人[9]通過對g-C3N4和Ti3C2Tx的復(fù)合物進(jìn)行煅燒，使Ti3C2Tx的表面具有含氧的官能團(tuán)，進(jìn)而有效地改善了電子-空穴對的分離，使復(fù)合物的析氫產(chǎn)量與對照樣品相比得以大幅度的提高。Hao Deng等人[10]通過對多層Ti3C2前驅(qū)體進(jìn)行部分表面氧化，獲得了新型的Ti3C2/SrTiO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)，對鈾（VI）的光催化降解具有非常好的效果，在此異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，多層Ti3C2扮演了助催化劑的角色，促進(jìn)了電荷的傳輸，同時(shí)也抑制了電子在導(dǎo)帶中的復(fù)合。

3 結(jié)束語

迄今為止，研究者們以Ti3C2作為助催化劑，分別將其與以TiO2為代表的多種光催化劑進(jìn)行復(fù)合。Ti3C2的引入有效地改善了光生載流子的分離效率，抑制了它們的復(fù)合，使這些光催化劑的光催化活性得到大幅度的提高。由此可見，Ti3C2在高效光催化劑的制備領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，并隨著光催化機(jī)理研究的進(jìn)一步深入，必將發(fā)揮更大的作用。