CN109876838A - 一种钛基MXene相多相催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛基MXene相多相催化材料及其制备方法和应用，属于无机非金属材料制备和环境保护技术领域。该钛基多相催化材料为具有二维层状结构的MXene相碳化钛，通过对MAX相钛基陶瓷粉末进行刻蚀，成功制备了MXene相碳化钛材料，该碳化钛材料具有催化加氢还原水中溴酸根的能力，可直接用于水中致癌溴酸根离子的还原净化，解决了传统还原净化水中溴酸根离子的催化材料需要采用昂贵的贵金属的缺陷。

Description

一种钛基MXene相多相催化材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于环境保护和二维材料制备技术领域，具体涉及一种钛基MXene相多相催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于臭氧消毒在杀菌消毒过程中不产生有害有机卤代物而被广泛应用于瓶装饮用水处理技术中，但其会带来新的问题，当原水样中含有溴离子时，当采用臭氧过量消毒时会将水体中的溴化物氧化成溴酸根。溴酸根离子具有潜在的致癌性，长期过量食用会损害人的血液、中枢神经和肾脏等，被世界卫生组织认定为2B级的致癌物。目前，去除水中溴酸盐的方法可以分为混凝、吸附、膜过滤、离子交换、生物沉降以及各类还原方法等。各种方法中，催化还原是一种较为有前途的水处理技术。但是，目前用于去除水中溴酸根离子的多相催化剂，甚至是所有用于水治理的加氢催化材料，基本上都是负载型纳米贵金属催化材料，尤其是Pd基催化剂。贵金属价格昂贵，在地球上的储量有限，十分不利于催化还原技术进一步推广与应用，因此，有必要发展更多具有优异催化还原能力的非贵金属催化材料来面对日益严重的致癌溴酸根离子污染问题。

MXene是一类新型二维过渡金属碳化物或氮化物，其结构与石墨烯类似，通过使用含氟溶液选择性刻蚀掉母相MAX中的A原子层而制得的MX片层，M原子层为六方密堆积，X原子填充在八面体的空位上；由于刻蚀过程中在其表面引入了-F、-OH、-O等终端，因此，MXene通常表示为M_n+1X_nT_x。MXene具有独特的二维结构，富含亲水性表面终端，具有高的导电性和导热性，强的机械性能等优点，特别是其具有独特的表面性质和类似于贵金属的电子结构，有望取代贵金属材料而应用于催化材料领域。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种钛基MXene相多相催化材料及其制备方法和应用，该钛基多相催化材料为具有二维层状结构的MXene相碳化钛，通过对MAX相钛基陶瓷粉末进行刻蚀，成功制备了MXene相碳化钛材料，该碳化钛材料具有催化加氢还原水中溴酸根的能力，可直接用于水中致癌溴酸根离子的还原净化，解决了传统还原净化水中溴酸根离子的催化材料需要采用昂贵的贵金属的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种钛基MXene相多相催化材料，该多相催化材料为具有二维层状结构的碳化钛，片层厚度为5-100nm；该材料中，钛元素与碳元素的摩尔比为(1-2)：1。

所述钛基MXene相多相催化材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)刻蚀反应：按(0.05-0.1)g：1mL的固液比将钛基MAX相的陶瓷粉末分散至刻蚀液中，在60-100℃条件下刻蚀12-24h，获得悬浮液；

(2)样品干燥处理：将步骤(1)获得的悬浮液清洗后，在40-60℃条件下真空干燥10-24h，获得钛基MXene相多相催化材料。

上述步骤(1)中，所述刻蚀液为浓度10-40wt％的氢氟酸。

上述步骤(1)中，所述钛基MAX相的陶瓷粉末为Ti₃AlC₂或Ti₃SiC₂。

上述步骤(2)中，步骤(1)获得的悬浮液先用去离子水洗涤8-10次，再用乙醇洗涤3次后，再进行干燥处理。

所述钛基MXene相多相催化材料能直接应用于加氢催化还原水中的溴酸根。

该多相催化还原材料在室温条件和氢气存在的情况下，能够实现水中溴酸根离子的还原，应用时氢气的通入流量为60-150mL/min，催化材料的投加量为0.5-1g/L。

本发明的设计原理如下：

本发明首先通过选择性刻蚀MXA相钛基陶瓷粉末而制得钛基MXene相多相催化材料。该材料在氢气作为还原剂的条件下，能够进行加氢反应，可在室温下还原水中的溴酸根离子，还原成无害的溴离子。

本发明的优点及有益效果如下：

1、催化材料制备工艺简单，操作方便，对设备要求低。

2、所得的催化剂材料不含贵金属，结构稳定。

3、所得的催化材料在氢气存在的情况下，可有效进行多相催化反应，还原水中的溴酸盐。

附图说明

图1为陶瓷相Ti₃AlC₂粉末和本发明实施例1所获得的钛基MXene相Ti₃C₂T_x多相催化材料的X射线衍射图谱。

图2为陶瓷相Ti₃AlC₂粉末和本发明实施例1所获得的钛基MXene相Ti₃C₂T_x多相催化材料SEM形貌图。

图3为本发明实施例2中所述的钛基MXene相Ti₃C₂T_x多相催化材料还原净化水中溴酸根离子效果图。

具体实施方式

下面通过附图与实施例对本发明进一步详细描述。

实施例1

本实施例为钛基MXene相多相催化材料的制备，所用钛基MAX相的陶瓷粉末为Ti₃AlC₂，所用刻蚀液为氢氟酸。具体制备过程如下：

(1)刻蚀反应：按0.05g：1mL的固液比将钛基MAX相的Ti₃AlC₂粉末分散至质量分数为10wt％的HF刻蚀液中，在100℃下刻蚀24h。

(2)样品清洗：将步骤(1)获得的悬浮液用去离子水洗涤8-10次后，用乙醇洗涤3次，在40℃下真空干燥12h，获得钛基MXene相Ti₃C₂T_x多相催化材料，其X射线衍射图谱见图1，微观结构见图2。从X射线衍射图谱和SEM形貌图可知，本实施例成功制备了类石墨烯结构的二维层状钛基MXene相Ti₃C₂T_x多相催化材料。

所制备的多相催化材料为具有二维层状结构的碳化钛，片层厚度为20nm；该材料中，钛元素与碳元素的摩尔比为1.5：1。

实施例2

分别取0.02g实施例1所制得的粉末加入到40mL 0.0078μM的溴酸盐溶液中(此时溶液中溴酸根的浓度为10ppm)，室温下超声10min后，机械搅拌并通入100mL/min的氢气，计时取样分析离子状态和浓度。如图3所示，在通入氢气条件下，溴酸根浓度变化情况为：

a.1小时后，水中溴酸根的浓度为9.22ppm。

b.2小时后，水中溴酸根的浓度为7.68ppm。

c.3小时后，水中溴酸根的浓度为6.27ppm。

d.4小时后，水中溴酸根的浓度为3.97ppm。

上述实施例仅作参考，具有和本发明相似或者从本专利思路出发而延伸的钛基MXene多相催化材料及其制备方法和对水中溴酸根离子的还原净化应用，均在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钛基MXene相多相催化材料，其特征在于：该多相催化材料为具有二维层状结构的碳化钛。

2.根据权利要求1所述的钛基MXene相多相催化材料，其特征在于：该多相催化材料中，钛元素与碳元素的摩尔比为(1-2)：1；该材料的片层厚度为5-100nm。

3.根据权利要求1所述的钛基MXene相多相催化材料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)刻蚀反应：按(0.05-0.1)g：1mL的固液比将钛基MAX相的陶瓷粉末分散至刻蚀液中，在60-100℃条件下刻蚀12-24h，获得悬浮液；

(2)样品干燥处理：将步骤(1)获得的悬浮液清洗后，在40-60℃条件下真空干燥10-24h，获得钛基MXene相多相催化材料。

4.根据权利要求3所述的MXene相催化材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述刻蚀液为浓度10-40wt％的氢氟酸。

5.根据权利要求3所述的MXene相催化材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述钛基MAX相的陶瓷粉末为Ti₃AlC₂或Ti₃SiC₂。

6.根据权利要求3所述的MXene相催化材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，步骤(1)获得的悬浮液先用去离子水洗涤8-10次，再用乙醇洗涤3次后，再进行干燥处理。

7.根据权利要求1所述的钛基MXene相多相催化材料的应用，其特征在于：该多相催化材料能直接应用于加氢催化还原水中的溴酸根。

8.根据权利要求7所述的钛基MXene相多相催化材料的应用，其特征在于：该多相催化还原材料在室温条件和氢气存在的情况下，能够实现水中溴酸根离子的还原，应用时氢气的通入流量为60-150mL/min，催化材料的投加量为0.5-1g/L。