一种Ti3C2-MXene/TiO2肖特基异质结纤维光催化剂的制备方法和应用与流程

本发明涉及一种可见光催化剂的制备方法，具体涉及一种ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维光催化剂的制备方法和应用；属于新型功能材料制备。

背景技术：

1、随着工业的快速发展和城市化进程，化石燃料的消耗和水环境污染问题逐步凸显，尤其是水环境中的有机染料严重危害着生态平衡和人体健康，罗丹明b (rhb)是最典型的有机污染物，具有致癌性，在常规条件下难以降解为无毒无害的物质，研究表明光催化降解是去除有机染料及其衍生物最有前途的技术之一。

2、近年来，在污染物降解领域报道了许多光催化剂，如tio2、sno2、cds和g-c3n4等。在这些光催化剂中，二氧化钛(tio2)因其稳定的化学性质、高效的光催化性能、环保性和低成本而成为应用最广泛的光催化剂之一。然而，单个tio2在光催化领域的实际应用仍受到很大限制，主要原因是其带隙大、光生载流子重组率高、量子效率低。为了解决上述问题，可以采用掺杂贵金属或与其他窄带隙半导体、金属氧化物和碳材料复合等一系列策略来优化催化剂的性能。然而，由于贵金属成本较高，与其他半导体材料的复合过程复杂，探索一种不含贵金属的辅催化剂，对于改善未来光催化降解领域的研究具有重要意义。

3、近年来，一种新型二维(2d)过渡金属碳/氮化合物mxene (mn+1xntx, n=1,2,3, m:过渡金属元素，x:碳氮或碳元素，tx:表面官能团-oh、-f或-o)因其独特的二维结构和优异的导电性而引起广泛关注。其中，二维(2d) ti3c2mxene在光催化领域具有广阔的潜力，由于其优异的导电性和丰富的表面基团，ti3c2mxene被广泛用作提高光催化活性、加速电子迁移、抑制光激发电子与空穴的复合等辅助催化剂。同时，ti3c2mxene前驱体具有有序的层状结构和均匀的碳源分布，是制备tio2基光催化复合材料的理想材料。然而，目前大多数tio2/ti3c2复合材料都是粉末状的，在光催化降解水系有机污染物中的过程中，样品不断丢失且难以回收，不但成本高，还会造成二次污染，严重制约了实际应用。

4、基于上述实际情况，开发稳定性好、易于回收的高效光催化剂是光催化降解有机污染物的重点研究方向之一。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维光催化剂及其制备方法和应用，以实现在可见光照下高效降解有机物以及便于回收催化剂的目标。

2、为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

3、本发明首先公布了一种ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

4、s1、制备ti3c2-mxene胶体溶液：

5、将氟化锂加入盐酸溶液中，搅拌一段时间后，再向其中缓慢加入ti3alc2粉末，升温反应；然后用去离子水清洗反应后的酸性溶液，直到ph值接近中性，离心分离后得到ti3c2-mxene胶体溶液；

6、s2、碱化/脱碱化工艺预处理制备ti3c2-mxene纤维：

7、将碱性溶液加入步骤s1制得的 ti3c2-mxene胶体溶液中，静置30~60min，然后用去离子水清洗，直到ph值接近中性，将溶液利用湿法纺丝技术制备得到ti3c2-mxene纤维；

8、s3、制备ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维：

9、将步骤s2中干燥后的ti3c2-mxene纤维置于瓷舟中，升温至300~500℃持续煅烧2~6h；最后将产物自然冷却至室温，得到ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维。

10、优选地，前述步骤s1中，氟化锂与ti3alc2粉末的质量比为1：（0.5~2）。

11、更优选地，前述步骤s1中，升温至35~55℃并反应12~24h。

12、再优选地，前述步骤s2中，所述碱性溶液是浓度为1mol/l 的naoh溶液。碱化处理使得ti3c2-mxene胶体溶液中可以快速形成mxene溶液的絮凝，同时引入大量的-oh基团，-oh端基团可以使光诱导电子更有效地从半导体转移到ti3c2辅催化剂上，并且-oh端基团可以提供更多的活性位点，从而提高了光催化活性。

13、进一步优选地，前述步骤s3中，升温速率为2~5℃/min。

14、作为一种优选，前述步骤s1的具体操作过程为：在15~20 ml 9 m盐酸溶液中加入1~2g氟化锂，搅拌5~10分钟；再向上述溶液中缓慢加入1~2g ti3alc2粉末，在35~55℃下反应21~24 h；然后用去离子水清洗反应后的酸性溶液，直到ph值接近中性，随后，3500~5000rpm离心1 ~2h后，得到ti3c2-mxene胶体溶液。

15、作为一种优选，前述步骤s2的具体操作过程为：将5~10 ml 1mol/l的naoh溶液加入5~10ml ti3c2-mxene胶体溶液中静置30~60min，然后用去离子水清洗溶液，直到ph接近中性，将溶液利用湿法纺丝技术制备得到ti3c2-mxene纤维。

16、作为一种优选，前述步骤s3的具体操作过程为：将干燥后的碱化ti3c2-mxene纤维置于200 ml 瓷舟中，以2~5℃/min的加热速度加热至300~500℃，在此温度下持续煅烧2~6h，然后将产物自然冷却至室温，得到ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维。

17、本发明还公布了一种ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维光催化剂，其由前述的制备方法制得，产物截面呈现多孔mxene纳米片堆积的类西兰花形态。

18、此外，本发明还公布了如前所述的ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维光催化剂在降解罗丹明中的应用，1小时的降解效率高达97%。

19、应用时的具体步骤如下：将碱化ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维光催化剂与有机污染物水体混合，搅拌，进行光催化反应，完成对水体中有机污染物的降解：ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维光催化剂含量为60~80mg，有机污染物选择染料（罗丹明）溶液，浓度为20~30mg/l，搅拌时间为0min～120min；光催化反应在氙灯照射下进行，所述氙灯的光功率为300w～500w，光催化反应的温度为25℃～35℃，时间为0min～120min。

20、本发明的有益之处在于：

21、（1）本发明通过简单易实现的三个步骤制得了一种新型的光催化剂，通过独特的碱化/脱碱化工艺将naoh加入ti3c2-mxene胶体溶液中，引入了钠离子且避免了ti3c2-mxene胶体溶液絮凝失效，从而获得了一种类似西兰花结构的新型mxene纤维，相比与已经报道的mxene纤维，其结构中mxene片层疏松堆积。这种新型微结构的设计有效解决了tio2纳米颗粒在后续热处理过程中原位生长受限的问题，同时提供了更多的电子传输路径，加速了电子和空穴的分离。此外，-oh端基团可以使光诱导电子更有效地从半导体转移到ti3c2辅催化剂上，并且-oh端基团可以提供更多的活性位点，进一步提高了光催化活性。

22、（2）本发明通过采用湿纺丝技术将碱化ti3c2mxene构建为一维(1d)纤维结构，结合可控的煅烧处理使tio2原位生长于碱化ti3c2-mxene纤维上，最终ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结纤维的形成可以在光催化反应中吸收利用更多范围的可见光；同时纤维状的光催化剂在水体系中具有更易回收的特性，节约成本且避免造成二次污染。研究表明，随着煅烧温度与时间的变化，形成的结构形貌也有所不同，300℃煅烧3h的工艺条件能够最高效地构建ti3c2-mxene/tio2肖特基异质结结构，使rhb在可见光照射下能够快速降解，1h内的降解效率高达97%，是一种综合性能十分优异的新型光催化剂。

23、（3）本发明的制备方法所得到的光催化剂结构新颖，性能优异，具有极好的可见光催化效应，能够在可见光照下降解有机物，具有高效、节能、环保等特点，对罗丹明的降解效果十分优异；而且，tio2的引入使ti3c2tx纤维具有疏水性，并且在水中不会发生崩塌，具有很好的结构稳定性，这为进一步开发可循环利用的光催化剂提供了思路，在污水处理、废气处理等领域具有较好的应用前景。