超薄Ti3C2Tix表面Ag基光催化剂的原位溶液合成与性能增强

Design and fabrication of highly efficient Ag-based photocatalysts are one of hot topics in photocatalytic research fields. Based on the recent photocatalytic research progress, our previous research work and experience, and the electrostatic adsorption and inorganic nanocrystal growth principle, a new research proposal is motivated, which is mainly aiming to construct a new composite photocatalyst system by in-situ solution fabrication of Ag-based photocatalysts on single- or few-layer Ti3C2Tix Mxene surface for organic pollutant degradation under visible light irradiation. The crystal size, layer thickness, surface chemical property and photocatalytic performance of composite photocatalysts are investigated to explore the intrinsic relevance, synergistic effect and photogenerated carrier separation mechanism between zero-dimensional (0D) Ag-based photocatalysts and two-dimensional (3D) Ti3C2Tix Mxenes. The composition and structure design principal of 0D-2D composite photocatalysts is developed, the size-thickness-structure-performance relationship and control are illustrated, and the intrinsic cause and synergistic mechanism are reveled in this project. For the purpose of photocatalytic activity enhancement, this investigation provides important theoretical basis for Ag-based photocatalyst construction. Projects from this proposed research will also be helpful to enrich the design and fabrication method of Ag-based photocatalysts with high efficiency and stability.

高效Ag基光催化剂的可控合成与性能增强是光催化研究领域的前沿热点课题。项目根据当前国内外最新研究进展，并结合课题组的前期研究基础与工作积累，基于静电吸附和无机纳米晶的生长原理，提出在单层或少层Ti3C2Tx表面原位溶液合成Ag基光催化剂，并将其运用于有机污染物降解；研究零维（0D）Ag基光催化剂和二维（2D）Ti3C2Tx复合光催化材料的颗粒大小、薄层厚度及表面化学性质与光催化性能之间的内在关系、协同效应和光生载流子分离转移机制；发展新型0D-2D复合光催化材料的组成和结构设计原理、阐明光催化剂粒径-厚度-结构-光催化性能的构效关系和调控方法，揭示0D-2D复合材料光催化过程的微观机理和协同机制；以提高有机污染物降解效率为研究目标，为构建新型高效稳定的Ag基光催化材料提供理论依据，通过本项目研究可以丰富Ag基光催化材料的制备方法和材料体系。

在我国全面推进“碳达峰、碳中和”生态文明建设的背景下，大力发展太阳能等可再生能源利用技术是实现“双碳”目标的根本途径。光催化技术可利用太阳能解锁温和条件下传统策略无法实现的化学反应，是当前材料、化学、环境和能源等领域的研究前沿和热点。目前，光催化材料的带隙与可见光能量不匹配，以及光生载流子容易复合，是制约光能转换效率的关键科学问题。本项目采用沉淀法、微乳液法等方法制备了Ag2CrO4/Ti3C2Tx、AgBr/Ti3C2Tx、AgCl/Ti3C2Tx等复合光催化材料，系统研究了0D-2D构型对拓展光催化材料的可见光响应范围、提升光生电荷分离效率的影响，揭示了可见光响应机制和电荷分离机理。结果发现，通过构筑Ag基半导体/Ti3C2Tx复合光催化剂，Ti3C2Tx与Ag基半导体之间的空间位阻效应会抑制晶体的生长，减小颗粒半径并增大其比表面积，Ti3C2Tx作为电子传输通道和受体可迅速转移半导体表面的光生电子，避免电子在半导体表面聚集并与光生空穴发生复合，Ti3C2Tx优异的可见光响应性能有效促进了复合材料对可见光的吸收，从而提高了复合材料对可见光的利用率以及对有机物的氧化降解能力。基于上述研究结果，本项目进一步构建了多种0D-2D异质结光催化剂，如Ag2O量子点/Bi2O7I介孔纳米片、BiOI量子点/g-C3N4纳米片、MoC量子点/超薄N掺杂石墨烯等，发现通过精确控制界面的微纳结构，可以进一步提高0D-2D构型复合光催化材料的光催化活性，并结合电化学测试与能带结构分析，深入揭示了光生载流子的界面转移规律遵循p-n型异质结、S型异质结等电荷分离机理。本项目探明了Ti3C2Tx提高Ag基半导体光催化性能的策略与机制，有利于构筑更加高效的0D-2D构型的复合光催化材料体系，为发展人工光合光催化剂具有借鉴意义。