[发明专利]一种碳掺杂TiO2

说明书

本发明公开了一种碳掺杂TiO₂纳米多级结构材料及其在光催化水分解产氢方面的应用。本发明主要通过常温有机碱剥离MAX的方法获得的MXene作为前躯体，通过低温水热处理获得碳掺杂的多级结构TiO₂材料。这种掺杂增大了材料的光吸收范围，提高了对于光生载流子分离的效率，由于这两方面的原因进而大幅度提高材料的催化活性，提高了光催化产氢的催化效率，并详细的解释了这种催化效果主要来源于光吸收范围的拓宽和光生载流子的有效分离。

技术领域

本发明属于清洁可持续新型能源制备应用领域，特别涉及一种基于 MXene作为原材料制备的含有碳掺杂TiO₂纳米多级结构材料及其光催化产氢反应中的应用。

背景技术

随着世界经济的高速发展，能源与环境问题已经逐渐成为当下急需解决的课题之一。而太阳光是一种取之不尽，用之不竭的天然能源，那么有效的将太阳光转化为化学能源成为重中之重。其中对于光催化水分解的研究备受青睐。在众多的光催化材料之中，TiO₂作为最有潜力的光催化材料之一，其在环境，能源，催化等领域发挥了极大的作用。尤其是TiO₂作为最早被研究的光催化材料之一，在过去的几十年里，已经发展的越来越成熟。然而TiO₂作为优秀的光催化材料，除了其化学性能稳定，以及对于光催化水分解制氢具有适合的导带等优点外，也有很多其对于光催化水分解不利的因素，例如其过宽的带隙(3.2eV)导致对于光的利用率不高，只能利用太阳光大约4％的紫外光区域，以及其光生载流子复合速率过快，这两个因素极大地阻碍了其应用在光催化方面的效率。

为了提高TiO₂对于光的利用率，科学家们在改造其带隙和光生载流子复合速率方面做了许多的努力。到目前为止，有许多种方法被提出。掺杂与形成异质结成为最为普遍的方法。掺杂分为金属掺杂(Fe,Co,Ni,Cu等等)与非金属掺杂(C,N,S等等)，主要为了改变其能带位置及其增强其载流子浓度与寿命，此外与窄带隙复合(CdS,Fe₂O₃,Co₃O₄，WO₃等等)也是另一种比较有效的手段，这样能很大程度增强对光的吸收，并且提高光生载流子的寿命。在这些方案中，对于C掺杂TiO₂越来越引起人们的关注，因为这种掺杂不仅能够拓宽对于光的吸收，而且由于其价带的拖尾能够起到敏化TiO₂的作用，此外在改变光生载流的寿命，增强其载流子的浓度的方面能够起到尤为关键的作用。

对于C-TiO₂材料的合成方法有多种，如溶胶-凝胶法、TiC的热氧化法、水热以及溶剂热合成法、电纺丝法。为了去除有机物，增加结晶度，这些方法通常要求在高温下进行退火处理，在此过程中，制氢性能好的锐钛矿 TiO₂将逐渐转变为金红石TiO₂。其催化性质就会受到限制。因此开发一种低温下制备结晶性好的C-TiO₂的新策略将对光催化材料很有帮助。

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供价格低廉，制备简单的基于MXene作为原材料获得的含有碳掺杂TiO₂纳米多级结构材料，并应用于光催化分解水催化领域。该含有碳掺杂TiO₂纳米多级结构材料具有结构新颖、催化性能好等特点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于MXene作为原材料获得的一种碳掺杂TiO₂纳米多级结构材料及其在光催化分解水产氢反应中的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种碳掺杂TiO₂纳米多级结构材料，通过以下步骤制备得到：

(1)采用HF溶液对Ti₃AlC₂进行清洗，以去除表面的氧化物，之后用去离子水离心清洗。