二维层状Ti3C2材料在光催化领域的应用研究现状

罗 强

0 引言

自从石墨烯（Graphene）于2004年被成功制备以来，二维层状材料逐步成为材料科学的研究热点之一。二维层状材料最显著的特点是，某一维度上的尺寸远小于另外两个维度上的尺寸，致使此类材料具有非常独特的物理化学特性。目前，多种二维层状材料已经被成功的研发出来，如过渡族金属硫化物、金属有机框架材料、共价有机框架材料等。2011年，一类新型的二维过渡族金属碳/氮化合物，MXenes材料，被成功制备出来[1]，并于近年来被逐步应用于锂离子电池、超级电容器等领域[2-3]。

MXenes材料表面拥有大量的亲水功能基团（-OH和-O），这些功能基团能够使MXenes材料与众多半导体材料之间构筑起牢固的连接；此外，MXenes材料具有优良的金属导电性，能够确保载流子在其表面进行有效的迁移[4]。以上这些优良的特性，使MXenes材料作为助催化剂在光催化领域拥有巨大的应用潜力。近几年来，作为最早被合成出来的和最具代表性的MXenes材料，Ti3C2被一些研究者应用于光催化领域，有效地改善了以TiO2为代表的多种光催化剂的光催化活性。

1 Ti3C2对TiO 2光催化剂改性的应用研究

TiO2因具有成本低、化学性质稳定、无毒和氧化能力强等优点，成为迄今为止研究最为广泛的光催化材料，但是纯TiO2存在带隙宽和光生电子空穴对容易复合的不足，因此，需要对其进行改性，以期提高其光催化活性。基于此，研究者们分别采用了不同的工艺，成功制备出Ti3C2/TiO2复合光催化剂，有效地改善了TiO2的光催化活性。

Yupeng Gao等人[5]采用水热方式，使TiO2纳米颗粒在Ti3C2表面成核，形成了异质结结构，并在紫外光照射下，考察了所制备材料对甲基橙的降解效率，结果显示异质结结构具有比纯TiO2纳米材料更高的光催化活性。Chao Peng等人[6]通过一种简易的水热方法，将Ti3C2进行了部分氧化，成功地合成了由暴露{001}晶面的TiO2纳米片和层状Ti3C2组成的复合物，并对光催化机理进行了深入的分析。经过理论分析可知：一方面，高活性的TiO2的{001}晶面在光催化过程中能够促进光生电子-空穴对的产生；另一方面，二维Ti3C2的界面肖特基结能够有效地捕获光生空穴，促使光生载流子产生了良好的空间分离效果。以上两方面因素促使复合物对甲基橙具有很好的降解效果。Qiang Luo等人[7]采用水热处理结合后续氩气气氛中煅烧的工艺，制备出了由TiO2纳米颗粒和窄层间距的Ti3C2组成的复合物，TiO2和Ti3C2之间形成了良好的界面异质结。后续的煅烧过程促进了TiO2的结晶、Ti3C2层间距的减小和Ti3C2表面Ti-O数量的增加，这些因素有效地提高了光生电子和空穴的分离效率，使复合物针对亚甲基蓝展示出比纯TiO2和Ti3C2更高的光催化活性。

2 Ti3C2对其他光催化剂改性的应用研究

除TiO2之外，还有许多其他的半导体光催化材料被广泛地研究，极大地推动了光催化技术的发展。但是，大多数单一的光催化材料一般都存在光量子效率低和可见光响应差的不足。为了改善这些光催化材料的光催化活性，研究者们做了大量的工作。近几年来，有部分研究者采用Ti3C2作为助催化剂，与一些光催化材料进行复合，以提高它们的光量子效率、拓展它们的光响应范围，使它们在水中有机污染物降解和制氢领域具有更大的实际应用价值。

Jingrun Ran等人[4]通过密度泛函理论计算，在原子尺度上探索、设计和制备了Ti3C2纳米颗粒，并以Ti3C2纳米颗粒作为助催化剂，通过水热方式将其与CdS进行复合，获得了非常高的可见光光催化制氢活性，这种高性能源自于Ti3C2纳米颗粒的有利的费米能级位置、导电率和析氢能力。Weiwei Lian等人[8]通过简易沉淀法制备了BiOCl/Ti3C2纳米结构的复合物，花瓣状的BiOCl在Ti3C2表面上生长，在可见光照射下对甲基橙的降解实验显示：复合物比纯BiOCl具有更高的降解效率，其原因是Ti3C2有效地促进了光生电子和空穴的分离。Yuliang Sun等人[9]通过对g-C3N4和Ti3C2Tx的复合物进行煅烧，使Ti3C2Tx的表面具有含氧的官能团，进而有效地改善了电子-空穴对的分离，使复合物的析氢产量与对照样品相比得以大幅度的提高。Hao Deng等人[10]通过对多层Ti3C2前驱体进行部分表面氧化，获得了新型的Ti3C2/SrTiO3异质结构，对铀（VI）的光催化降解具有非常好的效果，在此异质结构中，多层Ti3C2扮演了助催化剂的角色，促进了电荷的传输，同时也抑制了电子在导带中的复合。

3 结束语

迄今为止，研究者们以Ti3C2作为助催化剂，分别将其与以TiO2为代表的多种光催化剂进行复合。Ti3C2的引入有效地改善了光生载流子的分离效率，抑制了它们的复合，使这些光催化剂的光催化活性得到大幅度的提高。由此可见，Ti3C2在高效光催化剂的制备领域具有良好的应用前景，并随着光催化机理研究的进一步深入，必将发挥更大的作用。