二維層狀Ti3C2材料在光催化領域的應用研究現狀

羅 強

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的研究熱點之一。二維層狀材料最顯著的特點是，某一維度上的尺寸遠小于另外兩個維度上的尺寸，致使此類材料具有非常獨特的物理化學特性。目前，多種二維層狀材料已經被成功的研發出來，如過渡族金屬硫化物、金屬有機框架材料、共價有機框架材料等。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用于鋰離子電池、超級電容器等領域[2-3]。

MXenes材料表面擁有大量的親水功能基團（-OH和-O），這些功能基團能夠使MXenes材料與眾多半導體材料之間構筑起牢固的連接；此外，MXenes材料具有優良的金屬導電性，能夠確保載流子在其表面進行有效的遷移[4]。以上這些優良的特性，使MXenes材料作為助催化劑在光催化領域擁有巨大的應用潛力。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被一些研究者應用于光催化領域，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光催化劑改性的應用研究

TiO2因具有成本低、化學性質穩定、無毒和氧化能力強等優點，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合的不足，因此，需要對其進行改性，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，形成了異質結結構，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，結果顯示異質結結構具有比純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組成的復合物，并對光催化機理進行了深入的分析。經過理論分析可知：一方面，高活性的TiO2的{001}晶面在光催化過程中能夠促進光生電子-空穴對的產生；另一方面，二維Ti3C2的界面肖特基結能夠有效地捕獲光生空穴，促使光生載流子產生了良好的空間分離效果。以上兩方面因素促使復合物對甲基橙具有很好的降解效果。Qiang Luo等人[7]采用水熱處理結合后續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組成的復合物，TiO2和Ti3C2之間形成了良好的界面異質結。后續的煅燒過程促進了TiO2的結晶、Ti3C2層間距的減小和Ti3C2表面Ti-O數量的增加，這些因素有效地提高了光生電子和空穴的分離效率，使復合物針對亞甲基藍展示出比純TiO2和Ti3C2更高的光催化活性。

2 Ti3C2對其他光催化劑改性的應用研究

除TiO2之外，還有許多其他的半導體光催化材料被廣泛地研究，極大地推動了光催化技術的發展。但是，大多數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行復合，以提高它們的光量子效率、拓展它們的光響應范圍，使它們在水中有機污染物降解和制氫領域具有更大的實際應用價值。

Jingrun Ran等人[4]通過密度泛函理論計算，在原子尺度上探索、設計和制備了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進行復合，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米能級位置、導電率和析氫能力。Weiwei Lian等人[8]通過簡易沉淀法制備了BiOCl/Ti3C2納米結構的復合物，花瓣狀的BiOCl在Ti3C2表面上生長，在可見光照射下對甲基橙的降解實驗顯示：復合物比純BiOCl具有更高的降解效率，其原因是Ti3C2有效地促進了光生電子和空穴的分離。Yuliang Sun等人[9]通過對g-C3N4和Ti3C2Tx的復合物進行煅燒，使Ti3C2Tx的表面具有含氧的官能團，進而有效地改善了電子-空穴對的分離，使復合物的析氫產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前驅體進行部分表面氧化，獲得了新型的Ti3C2/SrTiO3異質結構，對鈾（VI）的光催化降解具有非常好的效果，在此異質結構中，多層Ti3C2扮演了助催化劑的角色，促進了電荷的傳輸，同時也抑制了電子在導帶中的復合。

3 結束語

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行復合。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域具有良好的應用前景，并隨著光催化機理研究的進一步深入，必將發揮更大的作用。