[發明專利]一種含氧空位的多孔二氧化鈦材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202111144639.3
• 申請日: 2021-09-28
• 公開（公告）號: CN113735163B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 翟茂林;李爽笑;石偉群;王琳;彭靜;李久強
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C01G23/053
• 分類號: C01G23/053;C01G23/04;C02F1/30;C02F1/70;C02F101/22
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公開了一種含氧空位的多孔二氧化鈦材料及其制備方法和應用，是以Ti基MXene為前驅體、利用輻射氧化的方法制備層片狀含氧空位的多孔二氧化鈦。該多孔二氧化鈦材料具有高比表面積、強可見光吸收的特性，可作為光催化劑應用于光催化還原反應，例如在可見光下實現六價鉻的光催化高效還原。所采用的輻照氧化的制備方法簡便、快速、體系純凈，克服了現有方法能耗高、需要加入額外的氧化劑等的缺點，易于批量化大規模生產。

技術領域

本發明涉及無機納米材料和光催化劑技術領域，特別涉及一種以Ti基MXene為前驅體的層片狀含氧空位的多孔二氧化鈦材料，以及該材料的制備方法和應用。

背景技術

二氧化鈦是一種廣為研究的過渡金屬氧化物材料，以其優異的穩定性、低廉的成本以及環境友好的特性受到廣泛關注，被認為是最有應用前景的光催化劑材料之一。但是，二氧化鈦禁帶寬度約為3.2eV，較大的禁帶寬度使其僅能利用占太陽光總能量4％的紫外光，限制了其實際應用；另外，體相的二氧化鈦比表面積較小，不能充分與反應物接觸，這也不利于充分發揮材料的性能。

研究表明，在半導體二氧化鈦中引入氧空位，可以調控其電子結構，提高其可見光吸收性能；另外，調控形貌、增加材料的比表面積也是提高二氧化鈦材料光催化性能的有效策略。MXene是一種新型的二維過渡金屬碳/氮化物，其在多領域展現了巨大的潛力，同時以MXene作為前驅體的系列衍生物也受到廣泛關注。以MXene作為前驅體，一方面有利于調控氧化物的形貌，獲得比表面積大的材料；另一方面MXene本身的結構也使其氧化轉化所得材料的結構更具多樣性，易于產生缺陷空位等。例如，Qian等人以Ti₃C₂T_x MXene作為前驅體，通過在空氣中煅燒得到了含氧空位的碳摻雜二氧化鈦，并研究了光催化氮氣還原產氨的性能(J.Qian et al.Photocatalytic Nitrogen Reduction by Ti₃C₂ MXene DerivedOxygen Vacancy-Rich C/TiO₂.Adv.Sustainable Syst.2021,5,2000282)；Zheng等人利用乙醇熱的方法將部分Ti₃C₂T_x MXene轉化為含氧空位的二氧化鈦，并將所得的復合材料(V-TiO₂/Ti₃C₂T_x)作為電催化劑用于鋰氧電池(R.Zheng et al.In Situ Fabricating OxygenVacancy-Rich TiO₂ Nanoparticles via Utilizing Thermodynamically Metastable TiAtoms on Ti₃C₂T_x MXene Nanosheet Surface To Boost Electrocatalytic Activityfor High-Performance Li-O₂ Batteries.ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,46696-46704)；另外，中國發明專利公開說明書CN 113120958 A公開了以V₂CT_x MXene作為前驅體采用熱處理法制備層片狀釩氧化物的制備方法。

目前，以MXene作為前驅體的相關研究所采用的氧化方法主要包括煅燒法、化學氧化法、水熱法和溶劑熱法等。這些方法需要高溫高壓或需要加入額外的氧化劑，且可控性不佳，生成的材料易堆積，比表面積相對較小。因此以Ti基MXene作為前驅體，開發更為綠色環保、高效的方法制備含氧空位的具有高比表面積的多孔二氧化鈦材料，以滿足其大量生產和實際應用的需要具有重要意義。

發明內容