摘要
环境问题和能源枯竭是人类社会现如今面临的主要问题。催化作为一种环境友好的技术可以一定程度上缓解这些问题。在催化过程中，催化剂的性能是影响催化效率的关键性因素。Ti3C2 MXene作为一种具有大比表面积、高导电性、良好表面亲水性和丰富金属位点的新型二维材料，近年来在催化领域引起了广泛研究和应用。本论文针对环境污染和能源短缺方面的问题，利用新型二维层状Ti3C2 MXene材料为生长模板和基体，通过原位氧化、形貌调控和材料复合等方法来优化Ti3C2 MXene基复合材料在光催化降解有机污染物和电催化析氢领域的性能。主要研究内容如下： （1）通过简单的两步水热法制备了一种新型CdS@TiO2@C/Ti3C2复合材料作为降解盐酸四环素（TC-HCl）的高效光催化剂。得益于Ti3C2 MXene的原位氧化，衍生的TiO2@C/Ti3C2材料显示出良好的界面接触和均匀的形貌分布。此外，利用NaBF4的晶面调控作用，获得C/Ti3C2基体负载的高能（001）晶面暴露的TiO2纳米片，原位生长的TiO2纳米片的（001）和（101）晶面之间形成了独特的表面异质结。在此基础上，引入具有窄带隙的CdS纳米颗粒与TiO2形成CdS/TiO2异质结构，有效增强催化剂材料的光捕获性能，并显著提高复合材料的表面积。在C/Ti3C2基体、TiO2纳米片表面异质结和CdS/TiO2异质结的协同作用下，材料光生载流子的转移和分离效率显著提高。因此，在可见光照射下，CdS@TiO2@C/Ti3C2催化剂对TC-HCl展现出突出的光催化降解能力，在60分钟内降解率高达85%。这项工作为以Ti3C2 MXene为模板制备高效有机污染物光催化剂提供了新思路。 （2）通过简单的溶剂热法制备了一种新型的CoS@Ti3C2复合材料用于电催化析氢。得益于Ti3C2 MXene基底独特的结构特性，获得了CoS纳米片垂直生长且均匀分布的CoS@Ti3C2复合材料，并构建了具有良好界面接触的CoS/Ti3C2分级异质结构，二者协同促使CoS@Ti3C2复合材料表现出优异的析氢性能。其中，CoS纳米片在Ti3C2 MXene基底上垂直排列构造的三维结构能够充分地暴露催化活性位点，并为氢气扩散提供足够通道；原位生长的CoS纳米片与基底Ti3C2之间的良好异质结构能够显著促进电荷传输，提升材料的催化性能。实验结果表明，CoS@Ti3C2复合材料在酸性环境中显示出优异的电催化析氢活性，在10 mA cm-2电流密度下，过电位仅为207 mV，塔菲尔斜率最低为64.8 mV dec-1，双电层电容高达3.64 mF cm-2，且在2000个CV循环后仍具有良好的稳定性。这项工作有助于开发极端pH介质中高效、稳定的Ti3C2基电催化剂。
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