[发明专利]一种含氧空位的多孔二氧化钛材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种含氧空位的多孔二氧化钛材料及其制备方法和应用，是以Ti基MXene为前驱体、利用辐射氧化的方法制备层片状含氧空位的多孔二氧化钛。该多孔二氧化钛材料具有高比表面积、强可见光吸收的特性，可作为光催化剂应用于光催化还原反应，例如在可见光下实现六价铬的光催化高效还原。所采用的辐照氧化的制备方法简便、快速、体系纯净，克服了现有方法能耗高、需要加入额外的氧化剂等的缺点，易于批量化大规模生产。

技术领域

本发明涉及无机纳米材料和光催化剂技术领域，特别涉及一种以Ti基MXene为前驱体的层片状含氧空位的多孔二氧化钛材料，以及该材料的制备方法和应用。

背景技术

二氧化钛是一种广为研究的过渡金属氧化物材料，以其优异的稳定性、低廉的成本以及环境友好的特性受到广泛关注，被认为是最有应用前景的光催化剂材料之一。但是，二氧化钛禁带宽度约为3.2eV，较大的禁带宽度使其仅能利用占太阳光总能量4％的紫外光，限制了其实际应用；另外，体相的二氧化钛比表面积较小，不能充分与反应物接触，这也不利于充分发挥材料的性能。

研究表明，在半导体二氧化钛中引入氧空位，可以调控其电子结构，提高其可见光吸收性能；另外，调控形貌、增加材料的比表面积也是提高二氧化钛材料光催化性能的有效策略。MXene是一种新型的二维过渡金属碳/氮化物，其在多领域展现了巨大的潜力，同时以MXene作为前驱体的系列衍生物也受到广泛关注。以MXene作为前驱体，一方面有利于调控氧化物的形貌，获得比表面积大的材料；另一方面MXene本身的结构也使其氧化转化所得材料的结构更具多样性，易于产生缺陷空位等。例如，Qian等人以Ti₃C₂T_x MXene作为前驱体，通过在空气中煅烧得到了含氧空位的碳掺杂二氧化钛，并研究了光催化氮气还原产氨的性能(J.Qian et al.Photocatalytic Nitrogen Reduction by Ti₃C₂ MXene DerivedOxygen Vacancy-Rich C/TiO₂.Adv.Sustainable Syst.2021,5,2000282)；Zheng等人利用乙醇热的方法将部分Ti₃C₂T_x MXene转化为含氧空位的二氧化钛，并将所得的复合材料(V-TiO₂/Ti₃C₂T_x)作为电催化剂用于锂氧电池(R.Zheng et al.In Situ Fabricating OxygenVacancy-Rich TiO₂ Nanoparticles via Utilizing Thermodynamically Metastable TiAtoms on Ti₃C₂T_x MXene Nanosheet Surface To Boost Electrocatalytic Activityfor High-Performance Li-O₂ Batteries.ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,46696-46704)；另外，中国发明专利公开说明书CN 113120958 A公开了以V₂CT_x MXene作为前驱体采用热处理法制备层片状钒氧化物的制备方法。

目前，以MXene作为前驱体的相关研究所采用的氧化方法主要包括煅烧法、化学氧化法、水热法和溶剂热法等。这些方法需要高温高压或需要加入额外的氧化剂，且可控性不佳，生成的材料易堆积，比表面积相对较小。因此以Ti基MXene作为前驱体，开发更为绿色环保、高效的方法制备含氧空位的具有高比表面积的多孔二氧化钛材料，以满足其大量生产和实际应用的需要具有重要意义。

发明内容