一种富缺陷碳化钛的可控制备方法及其应用

本发明属于材料制备和水处理，具体涉及一种富缺陷碳化钛的可控制备方法及其应用。

背景技术：

1、随着工业化进程的加速，环境污染日渐严重，水污染问题日益严峻，导致饮用水源中频繁检出药品以及个人护理品(ppcps)、持久性有机污染物(pops)、内分泌干扰物(edcs)等一类不可忽视的新污染物(ecs)。然而，大多数的ppcps无法通过污水处理厂的常规工艺去除，并随着废水系统进入地表水，对人体健康和生态安全构成了潜在影响。因此，亟需发明一种高效地ppcps的处理技术。

2、目前污水处理系统中还未出现专门处理ppcps的设备，这也导致了污水处理厂ppcps去除率低，出水含量高等问题，间接地导致了自然环境中污染物浓度的升高。因此研究并开发能够高效去除废水中ppcps的处理工艺具有重大的实际意义。

3、过氧乙酸(paa)基高级氧化工艺(aops)以其氧化能力强且有毒副产物生成较少是去除水中新兴污染物最有前景的技术之一，如何开发高效催化剂活化paa加速有机污染物降解受到研究学者们的广泛关注。

4、作为新兴的二维材料过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物(mxenes)，其具有广阔的过渡金属平面，和亲水性的末端官能团(-o、-oh或-f)以及易调谐的表面/界面结构等特点，被广泛地应用于环境修复、储能和生物医学等领域。ti3c2tx具有高比表面积、丰富的末端基团和易官能化等特性，被广泛作为助催化剂，为paa活化提供理想的平台。然而，ti3c2txmxenes活化paa目前仍处于初步研究阶段，仅有少部分研究集中在通过改性提高ti3c2tx材料的催化性能，从而达到更加快速降解污染物的目的。

5、目前，块状和多层ti3c2tx作催化剂的研究较多，然而，块状和多层ti3c2tx具有催化活性差，表面活性位点少等缺点。相较于块状和多层ti3c2tx，少层ti3c2tx可以暴露出更多的缺陷位点和活性表面使催化活性提高。

技术实现思路

1、本发明的目的是要解决现有方法制备的块状和多层ti3c2tx具有催化活性差，表面活性位点少的问题，而提供一种富缺陷碳化钛的可控制备方法及其应用。

2、本发明先通过氢氟酸刻蚀ti3alc2 max相制备了多层碳化钛，并通过离心超声等操作成功制备了少层碳化钛，构建低能耗高效地活化paa(过氧乙酸)高级氧化体系探究其对新兴污染物cbz(卡马西平)的催化降解活性；相较于未改性的ti3alc2和多层ti3c2tx，少层ti3c2tx可以暴露出更多的缺陷位点和活性表面使催化活性提高；综上所述，本发明成功制备了一种富缺陷碳化钛催化剂，并对cbz具有良好的催化降解性能，为水环境中新兴污染物的去除提供了一种新的思路。

3、一种富缺陷碳化钛的可控制备方法，具体是按以下步骤完成的：

4、一、将ti3alc2和氢氟酸溶液混合均匀，然后放入聚四氟乙烯瓶中，在恒温水浴锅中水浴搅拌一定时间，得到混合溶液；

5、二、将混合溶液倒入离心管中，在离心机中进行离心，并用去离子水反复洗涤混合溶液直到离心后的上清液呈中性；

6、三、收集离心后沉淀物质置于真空干燥箱中真空干燥，并收集在密封袋中，得到多层ti3c2tx；

7、四、将多层ti3c2tx、lif和盐酸混合均匀，再置于聚四氟乙烯瓶中反应一段时间，得到反应产物；

8、五、将反应产物置于离心管中，在离心机中进行离心，并用去离子水反复洗涤反应产物直至离心后的上清液呈中性，收集离心后的沉淀物；

9、六、将离心后的沉淀物添加至无氧去离子水中并在氩气保护的冰浴中超声剥层一定时间，得到超声处理后的溶液；

10、七、将超声处理后的溶液离心一定时间，得到剥离的少层ti3c2tx上清液；

11、八、将少层ti3c2tx上清液离心一定时间，收集离心后沉淀物；

12、九、将离心后沉淀物进行冷冻干燥一定时间，并收集在密封袋中，得到富缺陷碳化钛。

13、本发明的优点：

14、一、本发明提供了一种富缺陷碳化钛的可控制备方法及其应用，因离心超声等操作可以打破多层碳化钛的固有界面，相较于多层碳化钛而言，少层碳化钛可以暴露出更多的缺陷位点和活性表面使催化活性提高，可以更好的活化paa，对水中新兴污染物具有良好的去除效果；

15、二、在本发明中富缺陷碳化钛/paa体系中，在前5min内对cbz的降解速率较快，大约可以降解70％的cbz，在反应结束时，可以降解75％左右的cbz。

技术特征：

1.一种富缺陷碳化钛的可控制备方法，其特征在于所述制备方法具体是按以下步骤完成的：

2.根据权利要求1所述的一种富缺陷碳化钛的可控制备方法，其特征在于步骤一中所述的氢氟酸溶液的质量分数为30％～70％；步骤一中所述的ti3alc2的质量与氢氟酸溶液的体积比为(2g～4g):(100ml～150ml)；步骤一中所述的水浴搅拌的温度为40℃～60℃，水浴搅拌的时间为12h～24h。

3.根据权利要求1所述的一种富缺陷碳化钛的可控制备方法，其特征在于步骤二中所述的离心的速度为6000rpm～8000rpm，离心的时间为3min/次～10min/次。

4.根据权利要求1所述的一种富缺陷碳化钛的可控制备方法，其特征在于步骤三中所述的真空干燥的温度为60℃～80℃，真空干燥的时间为24h～48h。

5.根据权利要求1所述的一种富缺陷碳化钛的可控制备方法，其特征在于步骤四中所述的多层ti3c2tx、lif和盐酸的质量体积比为(2g～4g):(2g～4g):(100ml～150ml)；所述的盐酸的浓度为9mol/l～15mol/l；步骤四中所述的反应的温度为40℃～60℃，反应的时间为12h～24h。

6.根据权利要求1所述的一种富缺陷碳化钛的可控制备方法，其特征在于步骤五中所述的离心的速度为6000rpm～8000rpm，离心的时间为3min/次～10min/次。

7.根据权利要求1所述的一种富缺陷碳化钛的可控制备方法，其特征在于步骤六中所述的离心后的沉淀物的质量与无氧去离子水的体积比为(2g～4g):(100ml～150ml)；步骤六中所述的超声的时间为1h～3h，超声的功率为250w～750w。

8.根据权利要求1所述的一种富缺陷碳化钛的可控制备方法，其特征在于步骤七中所述的离心的速度为3500rpm～5000rpm，离心的时间为10min～20min；步骤八中所述的离心的速度12000rpm～15000rpm，离心的时间为60min～100min；步骤九中所述的冷冻干燥的温度为-10℃～-50℃，冷冻干燥的时间为36h～72h。

9.如权利要求1所述的制备方法制备的富缺陷碳化钛的应用，其特征在于富缺陷碳化钛用于活化过氧乙酸降解卡马西平；所述的过氧乙酸的质量分数为35％。

10.根据权利要求9所述的制备方法制备的富缺陷碳化钛的应用，其特征在于富缺陷碳化钛用于活化过氧乙酸降解卡马西平，具体是按以下步骤完成的：

技术总结
一种富缺陷碳化钛的可控制备方法及其应用，它属于材料制备和水处理技术领域。本发明的目的是要解决现有方法制备的块状和多层Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;具有催化活性差，表面活性位点少的问题。本发明先通过氢氟酸刻蚀Ti<subgt;3</subgt;AlC<subgt;2</subgt;MAX相制备了多层碳化钛，并通过离心超声等操作成功制备了少层碳化钛，构建低能耗高效地活化PAA高级氧化体系探究其对新兴污染物CBZ的催化降解活性；相较于未改性的Ti<subgt;3</subgt;AlC<subgt;2</subgt;和多层Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;，少层Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;可以暴露出更多的缺陷位点和活性表面使催化活性提高。本发明对CBZ具有良好的催化降解性能，为水环境中新兴污染物的去除提供了一种新的思路。本发明可获得一种富缺陷碳化钛。

技术研发人员：孙志强,吉晓悦,马军,李志锋
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24