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摘 要

本文主要将MXene作为前驱体合成TiO₂与g-C₃N₄反应的过程来进行研究。MXene为基体，g-C₃N₄作为光催化材料，通过实验考察调节 Ti₃C₂Tx与不同g-C₃N₄的前驱体的质量比，利用冷冻干燥和高温煅烧的方法，制备出光催化制氢材料MX-TiO₂@CN，并测试其性能，讨论Ti₃C₂Tx制备工艺对光催化制氢材料性能的影响。最后把整个研究内容写成毕业论文。研究结果表明MXene 的表面电导率较于多层的石墨烯形状类似，此外，MXene的接触角都很小，结果显示，MXene具有优良的亲水性特征。由于这些优良的特征，对光催化制氢提供了有力的理论支撑。

关键词：MXene Ti₃C₂Tx g-C₃N₄ 光催化剂 制氢

Effects of MXene on the properties of photocatalytic hydrogen production materials

Abstract

In this paper, the effect of MXene as an assistant catalyst on g-C₃N₄ photocatalytic hydrogen production was studied. MXene is the matrix, and g-C₃N₄ is the photocatalytic material. The mass ratio between Ti₃C₂Tx and the precursor of different g-C₃N₄ is investigated through experiments. The photocatalytic hydrogen production material MX-TiO₂@CN is prepared by means of freeze-drying and high-temperature calcination, and its performance is tested. Finally, write the whole research content into a graduation thesis. The results showed that the surface conductivity of MXene was similar to that of multilayer graphene, and the contact angles of MXene were all small, indicating that MXene had good hydrophilicity. These excellent properties of MXene provide strong theoretical support for photocatalytic hydrogen production.

Key Words: MXene; Ti₃C₂Tx; g-C₃N₄; photocatalyst; hydrogen production

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1前言 1

1.2光催化材料的背景 1

1.2.1光催化材料简介 1

1.2.2光催化材料用途性质 2

1.2.3光催化材料分类情况 2

1.2.4光催化的影响因素 2

1.3 TiO₂研究进展 2

1.3.1 TiO₂性质 2

1.3.2制取TiO₂的方法 3

1.4g-C₃N₄材料简述 3

1.4.1 g-C₃N₄的性能特点 4

1.4.2 g-C₃N₄的应用探究 7

1.5 MXene研究背景 7

1.5.1MXene简述 7

1.5.2MXene特点 8

1.5.3 MXene 在光催化剂领域的应用 9

1.6提高光催化剂性能的方法 9

1.7 本文的研究依据及内容 9

第二章实验部分 11

2.1实验原料及设备 11

Table 2-2Experimental equipment 11

2.2 Ti₃C₂Tx-MXene 的制备 11

2.3 g-C₃N₄的制备 12

2.4 MT-TiO₂@CN复合材料的制备 12

2.5光催化活性测试 13

2.6光催化反应评价情况 13

2.6.1光电化学性能评价 14

2.6.2表观子效率的计算方法 14

2.7光催化材料性能表征 14

第三章 结果与讨论 16

3.1讨论Ti₃C₂结构性能 16

3.2讨论氢气量性能的影响 17

第四章结论与展望 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

1.1前言

由于经济快速发达，能源的需求越来越大，人类对化石燃料过于依赖。因此环境的污染越来越糟糕，当今社会不能快速稳定发展的重大原因在于环境与能源上的过度使用，成为我们必须解决的课题。同时由于科技的不断进步，我们的视线不得不转移到清洁能源的开发研究，这进一步显示了使用清洁能源对环境有着重大意义。世界上最大的丰富资源当属太阳能。与此同时，我们研究利用太阳能，对环境不会造成一定的伤害。太阳能有一个特征就是具有普遍性，不会受到地域的阻碍，可以随开随用。当前有很多开发利用太阳的方法，它们分别是光化学转换，光电转换与光热转换等等。其中，本课题研究的通过光催化分解制取氢气就是把太阳能中的光化学转换。氢气有高燃烧值这一特点，因此通过氢气和氧气燃烧生成产物水，对社会环境不造成任何伤害，是理想的清洁能源之一。氢气还有一个优点，它可以作为化学品中的原材料，价格低廉可以给商业带来一定的利益。本课题研究的光催化分解水来制取氢气的原材料就是太阳能和水，这就使得研究光催化分解水技术有很大的动力。所以基于丰富的太阳能资源和水资源，能够解决能源危机的重要方法就是通过光催化来分解水从而制取氢气。那么，这就需要找到一种高效无污染并且价廉的助催化剂从而达到效果。

1.2光催化材料的背景

1.2.1光催化材料简介

在学术领域把能够在半导体催化剂光作用下发生光化学反应的材料统称为光化学材料，其中光催化材料种类很丰富，其中有TiO₂,ZnO,CdS,ZrO,SnO等等一系列氧化物半导体物质，TiO₂由于有强的氧化能力，稳定的化学特性，没有毒性，被认为是纳米光催化材料的最佳选择。在前人的大量研究中发现，也有很多人把CdS，ZnO作为光催化材料，最后发现它们的性质不稳定，虽可以光催化但光溶解也会发生，易造成带有生物毒性的金属离子同时溶出。因此在这个研究基础上很多国家不再用CdS，ZnO作为光催化材料，但也不排除少数特例。这些是由ZnO，CeO₂组成的均一稳定复合材料，具有浅黄色的外观，纳米层结构，除此之外在1000℃高温下，仍然有较大的比表面积，呈现较高的活性。

1.2.2光催化材料用途性质

首先可以作为高温的催化材料，在日常生活中把它用在汽车尾气处理上。在现阶段研究基础上最广泛的是把它当成半导体材料。此形态是断续的能带结构并且在能级区域发现空的。通过查阅资料我们可以发现高能导带布满电子而低能价带区域显示无电子，本文运用的禁带位置处于低能价带和高能价带中间，禁带宽度是指导带和价带的能极差，通常情况所用的带隙处于1-4eV中间。光响应范围受禁带宽度影响，呈现出越小的宽度，则响应的范围影响也就越大，从而得到越高的光能利用率。光生电子和空穴对载电子的反应物可以看出分布在光催化材料的表面上。通过研究发现，在移动到光生电子的表面这一过程中，会出现体相复合和表相复合这两种情况。发生复合是由于静电力作用。二氧化钛纳米片层由于比表面积高而得到较为广泛的应用。

1.2.3光催化材料分类情况

1. 表面负载有贵金属：Sri0、Ti0₂、Fe0₃、Al₂0₃、WO、Zn0、V₂0₃、Cu0、Ni0等；
   2、表面耦合型：SnO、TiO₂、CdS-Zn0、CdS-Sn0、CdSe- TiO₂、CdS-Sn0等；
   3、钙钛矿型：BaTi0₃、SrTi0₃、LaFe0₃等；
   4、纳米金属氧化物：TiO₂. Fe₂0₃、W0₃、Sn0、V₂0₃、Tb₂0₃、Cu0、Al₂0₃、Zn0等；

1.2.4光催化的影响因素

1、内部：带隙结构，晶型结构，形貌尺寸，比表面积。

2、外部：光照条件，PH，外加场，添加剂。

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