【摘 要】
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氢能是解决当下能源短缺问题的一种很有前景的新能源。考虑到环保和成本等问题,光催化分解水产氢技术迫切需要发展,而催化剂是这个技术的关键。在各种半导体光催化剂中,二氧化钛由于受光照射时稳定性较好,加上价格便宜和无毒等优点,成为目前使用最广泛的催化剂之一。然而,被光激发的时候TiO2中光生载流子很容易发生再次复合,使它的应用受到了极大限制。如何提高光生载流子的分离效率,这是未来能源应用要解决的主要问题。
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氢能是解决当下能源短缺问题的一种很有前景的新能源。考虑到环保和成本等问题,光催化分解水产氢技术迫切需要发展,而催化剂是这个技术的关键。在各种半导体光催化剂中,二氧化钛由于受光照射时稳定性较好,加上价格便宜和无毒等优点,成为目前使用最广泛的催化剂之一。然而,被光激发的时候TiO2中光生载流子很容易发生再次复合,使它的应用受到了极大限制。如何提高光生载流子的分离效率,这是未来能源应用要解决的主要问题。MXenes材料是一种新兴的过渡金属碳/碳氮化物,具有二维（2D）层状结构。在种类繁多的MXenes材料中,Ti3C2是一种典型代表,并由于其具有亲水性表面,出色的金属导电性和良好的结构稳定性,在光催化方向上得到广泛研究。本课题以在Ti3C2上原位生长TiO2合成Ti3C2-TiO2复合材料作为研究内容。针对TiO2中光生载流子容易再复合的问题,在Ti3C2一方面可以作为钛源的情况下,另一方面可以作为助催化剂促进材料催化性能的提高。探究不同晶型和形貌的TiO2对材料产氢性能的影响。并对材料进行多项结构表征、性能测试以及计算等来研究其催化产氢机理。具体的内容如下:（1）合成出了一种PtO@Ti3C2/TiO2复合光催化剂。水热法在Ti3C2上原位生长TiO2纳米片,然后通过光还原将一定量PtO沉积到Ti3C2/TiO2表面上,制备出PtO@Ti3C2/TiO2复合光催化剂,用在光解水产氢的反应中。并探究TiO2-Ti3C2复合材料的最佳水热时长,和PtO纳米颗粒的负载对催化剂的催化性能影响。得到的复合材料中Ti3C2/TiO2-12h的产氢速率最高,为1.09 mmol g-1h-1,较之纯锐钛矿相二氧化钛有了大幅度提高。在Ti3C2/TiO2-12h上进一步沉积PtO后,PtO@Ti3C2/TiO2产氢效率为之前的2.3倍。这是因为PtO的存在不仅促进了材料中光生载流子的分离,同时还抑制了产氢逆反应的发生。（2）将Ti3C2MXene原位转化合成出中间体三维Ti3C2/Na0.23TiO2复合材料,再通过微波水热,将Na0.23TiO2纳米带转化成为簇状二氧化钛,最终制备出一种Ti3C2/R-TiO2复合光催化剂,用于光催化分解水制备氢气的反应。测得Ti3C2/R-TiO2-3的产氢性能最好,为1.62 mmol g-1h-1,是单一TiO2的6.8倍。因为Ti3C2MXene的引入可以提高载流子分离效率,从而促进Ti3C2/R-TiO2复合材料的产氢效率。
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