CN116603549A - 一种超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源技术领域，特别涉及一种超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂及其制备和应用，所述超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂，是采用超声剥离法制备二维超薄Ti3C2纳米片，在超薄Ti3C2纳米片表面原位生长BiOI超薄纳米片构成。超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂具有较短的电荷传输距离和较大的界面接触面积，确保了优异的体到表面和界面电荷转移能力。BiOI/Mxene 2D/2D比表面积和孔结构的改善，提升载流子分离效率和材料光催化活性。该催化剂通过静溶剂热反应法制得，制备方法简单高效，试剂无毒且产量高，高二氧化碳还原效率，可实现光催化污染物降解、分解水产氢、固氮等具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，特别涉及一种超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂及其制备和应用，该材料可作为光催化剂用于光催化二氧化碳还原制备一氧化碳。
背景技术
近年来，在所有2D层状纳米片材料中，BiOI由于其特殊的“层状”结构及其间接的带隙半导体特性而成为一种潜在的光催化材料，其具有较窄的带隙，因此在可见光范围内具有很强的光响应能力。然而，BiOI的单独应用仍然受到光生电子-空穴对的快速复合速率和慢速电荷转移速率的限制。为了提高BiOI的催化效率，已开发出了多种方法，包括贵金属沉积，形态调控和异质结构建等。研究表明，增强p型半导体BiOI的光催化活性的有效方法之一是与宽带隙半导体耦合，以期促进电荷分离效率。因此BiOI光催化剂常用于生长在其它光催化剂表面，使其复合结构达到相应的氧化还原电位，进行相应的氧化还原反应，使复合催化剂能够应用于单一催化剂所不能够应用的一些领域。
传统的复合纳米纤维多为核壳结构，核壳结构虽然两组分界面处存在内建电场，有效地提升了载流子的分离效率，但核心内部组分材料被壳层完全包裹，不能与反应物直接接触发生催化反应，限制其催化活性。
发明内容
本发明的目的是解决现有核壳结构异质结光催化剂核层组分反应位点暴露不充分、导致光催化活性低的问题，而提供一种超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂。本发明制备工艺简单、成本低廉、条件温和、有利于大规模生产的光催化剂，促进氧化还原反应位点的有效分离和充分暴露、提升光催化反应效率。
本发明采用的技术方案是：一种超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂，所述超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂，是采用超声剥离法制备二维超薄Ti3C2纳米片，在超薄Ti3C2纳米片表面原位生长BiOI超薄纳米片构成。
上述的超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂，按元素摩尔比，铋:碘:碳:钛＝1:1:1:1。
上述的一种超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将一定量的氟化锂加入反应釜中，加入盐酸反应后，缓慢分批加入一定量的钛碳化铝，搅拌；
2)将步骤1)得到的溶液离心，用稀盐酸将未反应完全的氟化锂清洗干净后，用去离子水离心，当上层液pH值为6时离心结束；抽滤得到沉淀物加入去离子水离心后收集上层液；
3)将步骤2)收集的上层液沉淀摇匀加入洗气瓶中通入惰性气体鼓泡后密封超声，取出反应液离心得到上层液为片层Mxene，记为Ti3C2；
4)将步骤3)得到的片层Mxene少量滴加到BiOI前驱体溶液中，然后置于反应釜中，
经过溶剂热反应，得到一种超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂。
上述的制备方法，步骤1)具体为：将LiF加入反应釜中，加入HCl后，将反应釜放入40℃水浴锅中，搅拌后待温度稳定在40℃时，缓慢分批加入Ti3AlC2，搅拌。
上述的制备方法，步骤2)具体为，反应完成后的溶液3500r/min离心1min处理，用2M稀盐酸将未反应完全的氟化锂清洗干净后，用去离子水8000r/min离心10min，当上层液pH值为6h离心结束，抽滤得到沉淀物放入离心管中加入去离子水3500r/min离心5min收集上层液。
上述的制备方法，步骤3)具体为，收集的上层液沉淀摇匀加入洗气瓶中通入惰性气体鼓泡1h后密封超声1h，取出反应液3500r/min离心30min得到上层液为片层Mxene，记为Ti3C2。
上述的制备方法，步骤4)中，所述BiOI前驱体溶液的制备方法包括如下步骤：将五水合硝酸铋溶于无水乙醇中，搅拌均匀得到溶液A，将碘化钾溶于离子水中，得到溶液B，将溶液B缓慢加入到溶液A中，获得BiOI前驱体溶液。
上述的制备方法，步骤4)中，所述溶剂热反应是在160℃反应24h。
上述的超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂在光催化二氧化碳还原一氧化碳、光催化分解水、光催化固氮、光催化有机污染物降解和气体氧化还原中的应用。
上述的应用，具有超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂在光催化二氧化碳还原一氧化碳中的应用，方法如下：常温常压条件下，在容器中加入去离子水、三乙醇胺和乙腈的混合溶液，然后加入BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂，向反应器中通二氧化碳气体，使用300W氙灯照射反应器催化二氧化碳还原为一氧化碳。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明，将通过在Ti3C2超薄纳米片表面原位生长BiOI超薄纳米片，使得BiOI捕获Ti3C2超薄纳米片的空穴后，形成相应的空穴抑制Ti3C2超薄纳米片的载流子复合，延长了载流子的寿命，以促进Ti3C2超薄纳米片光催化剂的激子离解，构建BiOI/Mxene 2D/2D异质结构光催化剂的内建电场，利用其氧化还原电位进行相应的光催化应用。
2、本发明，Ti3C2超薄纳米片与BiOI紧密接触形成复合光催化剂，扩大了光反应的光谱范围，促进了符合催化剂界面上电荷的有效分离和转移。现有的宽带隙和高载流子络合速率的光催化剂限制了该技术的进一步发展，催化剂的氧化还原能力受到能带位置的限制。抑制其催化活性。本发明构建的超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂可促进氧化还原反应位点的空间分离和充分暴露，提升载流子的分离效率和材料的光催化活性。
3、本发明制备方法简单、成本较低，所制备的超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化二氧化碳还原性能高，在温室效应治理和新能源再生领域将得到广泛应用。
4、本发明涉及一种具有独特的BiOI/Mxene 2D/2D异质结的制备方法，得到的催化剂结构新颖，分立结构可以有效促进氧化还原反应位点的空间分离和充分暴露，提升光催化反应效率。该催化剂可用于光催化二氧化碳还原领域，其性能优异，分散性好，可稳定储存。纳米纤维超长的纤维网毡结构有利于液相催化反应后的分离回收，避免对环境的二次污染。
5、本发明的制备过程简单，重复性好，可控性强，原料廉价且来源广泛，绿色环保安全，适合大规模生产。
6、本发明制备的BiOI/Mxene异质结光催化剂无毒，使其能够广泛用于光合成氨、气体氧化/还原、光催化分解水和有机污染物降解等领域。
附图说明
图1为实施例1制备的纯样Ti3C2超薄纳米片光催化剂、纯样碘氧化铋(BiOI)光催化剂和BiOI/Ti3C2异质结构光催化剂的XRD图，其中，(a)为Ti3C2、Ti3AlC2的XRD图，(b)为BiOI、BiOI/Ti3C2、Mxene的XRD图。
图2为实施例1制备的纯样Ti3C2超薄纳米片光催化剂、纯样碘氧化铋(BiOI)光催化剂和BiOI/Ti3C2异质结构光催化剂的一氧化碳产率对比示意图。
具体实施方式
实施例1
(一)超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂，制备方法如下：
1、将3.2g的氟化锂加入反应釜中，加入40mL 9M盐酸后，将反应釜放入40℃水浴锅中，搅拌15min后待温度稳定在400℃时，缓慢分批加入2g的钛碳化铝，在水浴锅中搅拌48h。
2、将步骤1得到的反应完成后3500r/min离心1min处理，用2M稀盐酸将未反应完全的氟化锂清洗干净后，用去离子水8000r/min离心10min，当上层液pH值为6时离心结束。抽滤得到沉淀物放入离心管中加入45mL去离子水3500r/min离心5min收集上层液，收集的上层液沉淀摇匀加入洗气瓶中通入惰性气体鼓泡1h后密封超声1h，取出反应液3500r/min离心30min得到上层液为片层Mxene(记：Ti3C2)。
3、将0.388g五水合硝酸铋溶于40mL无水乙醇中，搅拌均匀得到溶液A。将0.1328g碘化钾溶于30mL去离子水中，得到溶液B。将溶液B加入到溶液A中，得到橙红色溶液BiOI前驱体溶液。
4、将步骤2得到的9.2mgTi3C2和步骤3得到的BiOI前驱体溶液，放入反应釜中，160℃下进行溶剂热反应24h，待自然冷却后，经水洗3次、60℃烘干12h，得到BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂。
(二)对比例1——纯样Ti3C2超薄纳米片光催化剂，制备方法如下：
1、将3.2g的氟化锂加入反应釜中，加入40mL 9M盐酸后，将反应釜放入40℃水浴锅中，搅拌15min后待温度稳定在40℃时，缓慢分批加入2g的碳化碳铝，在水浴锅中搅拌48h。
2、将步骤1得到的反应完成后3500r/min离心1min处理，用2M稀盐酸将未反应完全的氟化锂清洗干净后，用去离子水8000r/min离心10min，当上层液pH值为6时离心结束。抽滤得到沉淀物放入离心管中加入45mL去离子水3500r/min离心5min收集上层液，收集的上层液沉淀摇匀加入洗气瓶中通入惰性气体鼓泡1h后密封超声1h，取出反应液3500r/min离心30min得到上层液为片层Mxene，记为纯样Ti3C2超薄纳米片光催化剂。
(三)对比例2——纯样碘氧化铋(BiOI)光催化剂，制备方法如下：
将0.388g五水合硝酸铋溶于40mL无水乙醇中，搅拌均匀得到溶液A。将0.1328g碘化钾溶于30mL去离子水中，得到溶液B。将溶液B加入到溶液A中，得到橙红色溶液BiOI前驱体溶液，然后置于反应釜中，160℃下进行溶剂热反应24h，待自然冷却后，经水洗3次、60℃烘干12h，得到BiOI光催化剂。
(四)表征
图1为制备的纯样Ti3C2超薄纳米片光催化剂、制备的纯样碘氧化铋(BiOI)光催化剂和BiOI/Ti3C2异质结构光催化剂的XRD图。图1结果表明，本发明成功合成了BiOI/Ti3C2异质结构光催化剂。
实施例2
超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂在光催化二氧化碳还原一氧化碳中的应用
方法如下：常温常压条件下，在容器中加入2.5mL去离子水、2.5mL三乙醇胺和10mL乙腈的混合溶液，然后加入50mg超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂，向反应器中以50mL/min的流速通二氧化碳气体15min以去除空气，使用300W氙灯照射反应器，每隔1h抽出1000μL气体，利用气相色谱仪定量检测抽取气体成分。
同样的方法，采用纯样碳化钛(Ti3C2)超薄纳米片光催化剂和纯样碘氧化铋(BiOI)光催化剂进行光催化二氧化碳还原一氧化碳。
由图2可见，BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化产一氧化碳效率为4.879mol/h，远高于纯样样品BiOI和Ti3C2。分立结构实现了氧化还原位点的空间分离和充分暴露，具有高的光催化活性和较强的稳定性。本发明将光催化可见光响应差、成本低、易制取的Ti3C2催化剂利用起来，从催化剂制备的角度优化了能源。光催化二氧化碳还原生成一氧化碳可以有效减少因二氧化碳过量而产生的温室效应，具有较高的实用价值。通过光催化还原减少二氧化碳的产量并制备一氧化碳等燃料，为缓解温室效应提供了新的机遇与挑战，在减少温室气体排放的同时实现碳资源的循环与能源经济的可持续发展。
Claims (10)
1.一种超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂，其特征在于：所述超薄BiOI/Mxene2D/2D异质结光催化剂，是采用超声剥离法制备二维超薄Ti3C2纳米片，在超薄Ti3C2纳米片表面原位生长BiOI超薄纳米片构成。
2.根据权利要求1所述的超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂，其特征在于：按元素摩尔比，铋:碘:碳:钛＝1:1:1:1。
3.权利要求1或2所述的一种超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将一定量的氟化锂加入反应釜中，加入盐酸反应后，缓慢分批加入一定量的钛碳化铝，搅拌；
2)将步骤1)得到的溶液离心，用稀盐酸将未反应完全的氟化锂清洗干净后，用去离子水离心，当上层液pH值为6时离心结束；抽滤得到沉淀物加入去离子水离心后收集上层液；
3)将步骤2)收集的上层液沉淀摇匀加入洗气瓶中通入惰性气体鼓泡后密封超声，取出反应液离心得到上层液为片层Mxene，记为Ti3C2；
4)将步骤3)得到的片层Mxene少量滴加到BiOI前驱体溶液中，然后置于反应釜中，经过溶剂热反应，冷却、水洗、烘干得到一种超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)具体为：将LiF加入反应釜中，加入HCl后，将反应釜放入40℃水浴锅中，搅拌后待温度稳定在40℃时，缓慢分批加入Ti3AlC2，搅拌。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)具体为，反应完成后的溶液3500r/min离心1min处理，用2M稀盐酸将未反应完全的氟化锂清洗干净后，用去离子水8000r/min离心10min，当上层液pH值为6h离心结束，抽滤得到沉淀物放入离心管中加入去离子水3500r/min离心5min收集上层液。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)具体为，收集的上层液沉淀摇匀加入洗气瓶中通入惰性气体鼓泡1h后密封超声1h，取出反应液3500r/min离心30min得到上层液为片层Mxene，记为Ti3C2。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述BiOI前驱体溶液的制备方法包括如下步骤：将五水合硝酸铋溶于无水乙醇中，搅拌均匀得到溶液A，将碘化钾溶于离子水中，得到溶液B，将溶液B缓慢加入到溶液A中，获得BiOI前驱体溶液。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述溶剂热反应是在160℃反应24h。
9.权利要求1或2所述的超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂在光催化二氧化碳还原一氧化碳、光催化分解水、光催化固氮、光催化有机污染物降解和气体氧化还原中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，具有超薄BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂在光催化二氧化碳还原一氧化碳中的应用，方法如下：常温常压条件下，在容器中加入去离子水、三乙醇胺和乙腈的混合溶液，然后加入BiOI/Mxene 2D/2D异质结光催化剂，向反应器中通二氧化碳气体，使用300W氙灯照射反应器催化二氧化碳还原为一氧化碳。
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