论文总字数：25086字

摘 要

人类生活生产的发展往往伴随着环境的污染。光催化降解就是一种很好的处理环境污染的方法。在2011年，Naguib教授首次发现了一种新的二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物：MXene材料。MXene材料有着广阔的研究背景，它拥有着优异的各项物理化学性质，可以运用在多种方面，如储氢、制氧等。MXene材料还是一种优秀的助催化剂，可以与其他半导体材料复合成性能突出的光催化性能。因此MXene材料受到了人们极大的关注。

本篇文章中，我们制备了TCQDs（Ti₃C₂量子点）/BiOBr 复合材料，并采用XRD、SEM和TEM测试技术来研究其表征结构，还有紫外可见分光光度计去测量其催化降解盐酸四环素的吸收光谱。TCQDs/BiOBr的制备分为三个部分。第一个部分是制备TCQDs：首先用氢氟酸（HF）在通风厨中刻蚀Ti₃AlC₂ 24小时并持续搅拌，所得后续溶液经过多次离心洗涤可以得到层状的Ti₃C₂纳米片以及TCQDs；第二个部分是制备纯相BiOBr粉末：采用水热法制备，将BiOBr反应前驱物在烧杯中混合，再转移至反应釜中，放入真空干燥器中反应，温度为180℃，时间为16h；第三部分是将TCQDs与纯相BiOBr复合：取不同含量的TCQDs（溶液）与定量的BiOBr，在超声的条件下混合放置半小时，然后洗涤干燥，就得到了TCQDs/BiOBr。光催化降解实验结果表明：相较于纯相BiOBr，TCQDs/BiOBr具有更好的光催化性能。TCQDs与BiOBr形成了异质结结构，有利于光生电子与光生空穴分离，调节了催化剂之间的间隙，使得光催化活性更强。这表明，MXene基复合半导体材料有非常高的化学活性和光催化性能，在后续研究中具有很高的研究价值和应用潜力。

关键词：金属碳化物；水浴热；光催化活性；界面结构

Abstract

The development of human life and production is often accompanied by environmental pollution. Photocatalytic degradation is a good way to deal with environmental pollution.In 2011, Professor Naguib first discovered a new two-dimensional (2D) transition metal carbide, nitride and carbonitride: MXene material.MXene material has a broad research background. It has excellent physical and chemical properties and can be used in many aspects, such as hydrogen storage, oxygen preparation and so on. MXene material is also an excellent cocatalyst, which can be compounded with other semiconductor materials to achieve outstanding photocatalytic performance. Therefore, MXene material has attracted great attention.

In this article, we prepare TCQDs (Ti₃C₂ quantum dots)/BiOBr composite materials, and use XRD ,SEM,TEM testing techniques to study their characterization structures, as well as ultraviolet-visible spectrophotometry to measure the absorption spectrum of their catalytic degradation of tetracycline hydrochloride. The preparation of TCQDs/BiOBr is divided into three parts. The first part is the preparation of TCQDs. First, Ti3AlC2 is etched in a fume hood with hydrofluoric acid (HF) for 24 hours with continuous stirring, and the resulting subsequent solution can be subjected to multiple centrifugal washings to obtain layered Ti₃C₂ nanosheets and TCQDs. Next part is the preparation of pure phase BiOBr powder. It is prepared by hydrothermal method, and the BiOBr reaction precursor is mixed in a beaker, and then transferred to the reaction kettle. Then put it into a vacuum dryer for reaction, where the temperature is 180 ℃ and the preparation time is 16 hours. The third part is to combine TCQDs with pure phase BiOBr. Firstly, we take different amounts of TCQDs (solution) and quantitative BiOBr. Then mix it and place it under ultrasound for half an hour, and then wash and dry it to obtain TCQDs/BiOBr. The results of photocatalytic degradation experiments show that TCQDs/BiOBr has better photocatalytic performance than pure phase BiOBr. TCQDs and BiOBr form a heterojunction structure, which is conducive to the separation of photogenerated electrons and photogenerated holes, adjusts the gap between the catalysts, and makes the photocatalytic activity stronger. This shows that MXene-based composite semiconductor materials have very high chemical activity and photocatalytic performance, and have high research value and application potential in subsequent research.

Key Words:Metal carbide;water bath heat;photocatalytic activity;interface structure

目录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 MXene材料的研究进展 1

1.2.1 MXene材料的概述 1

1.2.2 MXene材料的制备方法 2

1.2.3 MXene材料的性质 3

1.2.4 MXene材料的应用 3

1.3 BiOBr的研究进展 5

1.3.1 BiOBr的结构与性质 5

1.3.2 BiOBr的制备 6

1.3.3 BiOBr的应用 6

1.4研究意义和内容 7

第二章 实验 8

2.1 实验准备 8

2.1.1 实验试剂 8

2.1.2 实验器材 8

2.2 实验 8

2.2.1 TCQDs的制备 8

2.2.2 纯相BiOBr的制备 9

2.2.3 TCQDs/BiOBr复合材料的制备 9

2.2.4 光催化性能测试 9

2.3 催化剂表征 10

2.3.1 物相表征 10

2.3.2 形貌表征 10

2.3.3 光催化降解性能表征 11

第三章 光催化结果分析与讨论 12

3.1 TCQDs/BiOBr复合材料的催化性能分析 12

3.1.1 结构分析 12

3.1.2 形貌分析 12

3.1.3 光催化性能分析 15

3.2 光催化的可能机制 17

第四章 结论与前景发展 19

致谢 24

第一章 绪论

1.1引言

近些年来，随着科学技术不断地进步，人们生活水平也不断地提高。与之而来的便是环境污染日益严重，特别是抗生素的滥用。这导致了水体被污染，从而使人类患癌症的风险大大增加，水生动物也大量死亡，危害及其严重。这其中的典型便是盐酸四环素（TC）^[25]。传统降解盐酸四环素的方法有物理吸附法、化学法、生物法，但这并不能将盐酸四环素彻底分解。而光催化降解能够有效解决这一问题。光催化降解污染物的机理就是吸收光能，通过氧化还原反应降解污染物。光催化技术是一种环境友好型的技术，能在太阳光照下将空气或者水体中的有机污染物彻底分解成H₂O、CO₂这些比较小的分子，没有二次污染。光催化技术还能够用来制备H₂生产清洁能源以应对化石能源短缺且容易制造污染的问题。光催化技术具备了活泼、稳定、成本低等各种方面上的优点。因此，光催化技术的发展受到了极大的关注。但单一光催化剂的光生电子-空穴复合率高，影响光催化活性，采用助催化剂可以有效地提高载流子分离的效率。由于半导体光生载流子重组时间较短，导致光催化反应活性较低，人们便在寻找各种各样的助催化剂来缩短调节反应时间。由于Au、Ag、Pt等贵重金属价格昂贵且资源稀缺，即使它们的助催化效果很好，能够有效提高光催化活性，我们也尽量不去用它，对我们对环境成本都太高，所以找到合适的的非贵金属助催化剂是提高光催化活性的有效方法。

经研究发现, BiOBr在全光谱辐照下, 其对染料、有机物等的光催化氧化性能和矿化能力远高于TiO₂, 受到研究人员的广泛关注。目前由于BiOBr光催化剂对太阳光的利用率较低、自身电子-空穴对复合率较高、光量子效率较低等各种因素，其发展还不是那么完善，有待进一步开发利用。为了解决上面所诉说的问题，我们考虑用二维材料与BiOBr材料进行复合，以提高BiOBr的光催化性能。二维材料作为一种优秀助催化剂的候选人有着较高的电子迁移率。二维材料与半导体材料进行复合可以提高光生电子空穴对的分离效率和调节光催化剂的带隙，这样就能够提高光催化剂降解有机污染物的能力。特别是二维材料中的MXene具有良好的电子传导性、结构稳定性以及较大的比表面积，可作为助催化剂提升光催化性能．目前，MXene已经被研究用来光催化降解有机污染物、制备H₂、还原CO₂等。

1.2 MXene材料的研究进展

1.2.1 MXene材料的概述

在2004年，一种二维材料——石墨烯横空出世。研究者通过机械剥离法第一次制备得到了石墨烯。由于其独特的电学、力学性能，人们便将关注点放在了二维材料石墨烯身上。基于此，越来越多的学者加入到二维材料的研究当中，并且发现发现了二维材料的共同的特性：电学、力学和光学性能都非常的优异。这让科学家们发现了二维材料各种各样的用途，如光催化、电池等方面。伴随着对二维材料的深入研究，更多的二维材料被科学家们相继发现。其中一种新型的二维材料过渡金属碳化物或碳氮化物(MXene)^[1]，就是本篇文章所要介绍的。他的化学通式为M_{n 1}X_nT_x(n=1-3)，其中M一般为过渡金属元素，X为碳、氮元素或两元素的混合，T_x 则代表着表面官能团(-OH、-F 或-O)。在MXenes中，n 1层M覆盖n层X，并以[M-X]_nM的形式交替排列^[26]。

1.2.2 MXene材料的制备方法

20世纪60年代，Nowotny团队率先提出了三元过渡金属碳化物或碳氮化物的概念，此后又发现了多种具有类似结构的化合物。这种化合物为三元层状结构，具有相似的物理和化学性质，称为MAX材料。MAX相是一类丰富的三元碳化物或氮化物，M、A、X分别代表3种不同的元素，M一般为过渡金属元素，A为第二周期或第三周期主族元素，X为碳、氮元素或两元素的混合。我们制备MXene材料就需要用到MAX材料。MAX材料是MXene材料的前驱体。制备MXene材料通常就是想办法除去MAX相中的A原子。目前已知有超过70种MAX相^[2]。

图1.1 （a）MAX及与其对应的MXene结构示意图^[22]；（b）MXene家族的成员表^[23]

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