2024年4月16日发(作者：税运珹)
Hans Journal of Chemical Engineering and Technology 化学工程与技术, 2018, 8(5), 326-332
Published Online September 2018 in Hans. /journal/hjcet
/10.12677/hjcet.2018.85042
Thermal Stability and Photocatalysis of a
Novel Two-Dimensional MXene
Xiaohui Ding, Chunhu Li
*
, Yingchun Li
Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, College of Chemistry and
Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao Shandong
Received: Sep. 5, 2018; accepted: Sep. 19, 2018; published: Sep. 26, 2018
ththth
Abstract
Two-dimensional Ti
3
C
2
T
x
nanosheet was obtained by exfoliation of raw Ti
3
AlC
2
powders. The ac-
cordion-like structure of as-prepared Ti
3
C
2
T
x
nanosheet was confirmed by SEM, TEM and XRD.
Thermal stability analysis suggested that the OH and F groups attached on the surface of Ti
3
C
2
T
x
nanosheets could be eliminated by heat treatment. It is noteworthy that Ti
3
C
2
T
x
nanosheet
could react with O
2
to produce a small quantity of TiO
2
when heating up to 200˚C. Furthermore,
TiO
2
/Ti
3
C
2
T
x
heterojunction photocatalyst was built up by a Schottky barrier between the inter-
faces of TiO
2
and Ti
3
C
2
T
x
, and the photodegrdation rate of Methyl orange could reach to 58.65%,
which was effective to improve the photocatalytic ability than pristine Ti
3
C
2
T
x
.
Keywords
Ti
3
C
2
T
x
, Thermal Stability, TiO
2
, Photocatalytic Ability
新型二维材料MXene热力学稳定性及
光催化性能探究
丁小惠，李春虎
*
，李迎春
中国海洋大学化学工程与技术教育部重点实验室，山东 青岛
收稿日期：2018年9月5日；录用日期：2018年9月19日；发布日期：2018年9月26日
摘 要
本文采用HF刻蚀Ti
3
AlC
2
材料制备新型二维Ti
3
C
2
T
x
材料，并通过SEM、TEM和XRD对其微观结构进行探
*
通讯作者。
文章引用: 丁小惠, 李春虎, 李迎春. 新型二维材料MXene热力学稳定性及光催化性能探究[J]. 化学工程与技术,
2018, 8(5): 326-332. DOI: 10.12677/hjcet.2018.85042
丁小惠 等
究，结果表明Ti
3
C
2
T
x
材料具有类手风琴的二维层状结构。另外，本文采用热重分析对其热力学稳定性进
行探究，结果表明Ti
3
C
2
T
x
二维材料表面负载的-F和-OH官能团可通过煅烧处理去除。结合SEM和XRD结
果可知，在空气氛围下，当温度高于200℃时，Ti
3
C
2
T
x
二维材料与O
2
反应生成TiO
2
光催化剂，TiO
2
/Ti
3
C
2
T
x
复合光催化剂通过肖特基势垒形成异质结，能够有效提高光生电子和空穴的复合率，TiO
2
/Ti
3
C
2
T
x
-200
复合光催化剂对甲基橙的降解率可达到58.65%，拓宽了MXene材料在光催化领域的应用。
关键词
Ti
3
C
2
T
x
，热力学稳定，TiO
2
，光催化活性
Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
/licenses/by/4.0/
1. 引言
目前，二维晶体材料如石墨烯、石墨相氮化碳、二硫化钼等由于具有较大的比表面积和优异的电子
传导能力，而被广泛应用于光催化降解有机物、光催化制氢和电化学领域[1]。石墨烯材料是目前研究最
为广泛的一种二维材料，它是一种由碳原子以sp
2
杂化轨道组成的二维蜂窝状结构的单原子层晶体，其理
论比表面积高达2630 m
2
g
−1
，电子迁移率高达200,000 cm
2
v
−1
s
−1
。但由于石墨烯层与层间的范德华力相对
较弱，且制备过程复杂等特点限制了其广泛应用[2]。
MXene是一种新型二维过渡金属碳化物或碳氮化物，2011年Naguib等[3]利用HF选择性刻蚀掉三
元层状金属间化合物Ti
3
AlC
2
中的金属Al层，首次成功制备二维Ti
3
C
2
MXene材料。这类新型二维材料
由M
n+1
AX
n
制备而来，其中M代表早期过渡金属元素，A主要为III或IV族元素，X表示C、N元素，
n通常指1、2、3 [4]。由于MXene材料具有类石墨烯结构，具备良好的电子传导和储备能力，因此目前
已广泛应用于离子电池、超级电容器和生物探头等方面[5] [6] [7]。MXene的化学通式为M
n+1
X
n
T
z
，T一
般指HF刻蚀过程中其表面覆盖的O、OH、F基团，这些官能团的存在可改变MXene材料的化学性质[4]。
理论计算表明带有F和OH官能团的Ti
3
C
2
T
x
MXene表现出明显的半导体特征，可用作新型光催化剂材料
[6]。Feng等[8]采用HF和NH
4
HF
2
刻蚀的方法制备Ti
3
C
2
二维材料，探究在不同温度下Ti
3
C
2
的热力学稳
定情况，结果表明温度能够改变Ti
3
C
2
MXene材料的微观结构和化学性质。Peng等[9]通过水热法制备
(111)TiO
2-x
/Ti
3
C
2
复合光催化剂，在紫外光的照射下，光催化降解亚甲基蓝的效果明显优于纯TiO
2
材料。
本文采用经典HF蚀刻Ti
3
AlC
2
的方法成功制备Ti
3
C
2
T
x
二维层状材料，并通过热重分析研究不同温
度下Ti
3
C
2
T
x
材料微观结构的变化，采用一步煅烧法制备TiO
2
/Ti
3
C
2
T
x
复合材料，并通过降解染料甲基橙
研究其光催化性能的变化。
2. 实验部分
2.1. TiO
2
/Ti
3
C
2
T
x
制备方法
本文选用Ti
3
AlC
2
(200目，北京福斯曼有限公司)作为反应原料，采用HF选择性刻蚀方法制备Ti
3
C
2
T
x
，
实验流程图如图1所示。首先，取5 g Ti
3
AlC
2
粉末浸入100 mL 49%的HF溶液中，充分搅拌后将温度升
至60℃。反应24 h后，将所得粉末用去离子水清洗至pH约为7，并用乙醇离心清洗三次，最后将粉末
在60℃真空烘箱中干燥过夜，最终得到Ti
3
C
2
T
x
粉末。
DOI: 10.12677/hjcet.2018.85042
327
化学工程与技术
2024年4月16日发(作者：税运珹)
Hans Journal of Chemical Engineering and Technology 化学工程与技术, 2018, 8(5), 326-332
Published Online September 2018 in Hans. /journal/hjcet
/10.12677/hjcet.2018.85042
Thermal Stability and Photocatalysis of a
Novel Two-Dimensional MXene
Xiaohui Ding, Chunhu Li
*
, Yingchun Li
Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, College of Chemistry and
Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao Shandong
Received: Sep. 5, 2018; accepted: Sep. 19, 2018; published: Sep. 26, 2018
ththth
Abstract
Two-dimensional Ti
3
C
2
T
x
nanosheet was obtained by exfoliation of raw Ti
3
AlC
2
powders. The ac-
cordion-like structure of as-prepared Ti
3
C
2
T
x
nanosheet was confirmed by SEM, TEM and XRD.
Thermal stability analysis suggested that the OH and F groups attached on the surface of Ti
3
C
2
T
x
nanosheets could be eliminated by heat treatment. It is noteworthy that Ti
3
C
2
T
x
nanosheet
could react with O
2
to produce a small quantity of TiO
2
when heating up to 200˚C. Furthermore,
TiO
2
/Ti
3
C
2
T
x
heterojunction photocatalyst was built up by a Schottky barrier between the inter-
faces of TiO
2
and Ti
3
C
2
T
x
, and the photodegrdation rate of Methyl orange could reach to 58.65%,
which was effective to improve the photocatalytic ability than pristine Ti
3
C
2
T
x
.
Keywords
Ti
3
C
2
T
x
, Thermal Stability, TiO
2
, Photocatalytic Ability
新型二维材料MXene热力学稳定性及
光催化性能探究
丁小惠，李春虎
*
，李迎春
中国海洋大学化学工程与技术教育部重点实验室，山东 青岛
收稿日期：2018年9月5日；录用日期：2018年9月19日；发布日期：2018年9月26日
摘 要
本文采用HF刻蚀Ti
3
AlC
2
材料制备新型二维Ti
3
C
2
T
x
材料，并通过SEM、TEM和XRD对其微观结构进行探
*
通讯作者。
文章引用: 丁小惠, 李春虎, 李迎春. 新型二维材料MXene热力学稳定性及光催化性能探究[J]. 化学工程与技术,
2018, 8(5): 326-332. DOI: 10.12677/hjcet.2018.85042
丁小惠 等
究，结果表明Ti
3
C
2
T
x
材料具有类手风琴的二维层状结构。另外，本文采用热重分析对其热力学稳定性进
行探究，结果表明Ti
3
C
2
T
x
二维材料表面负载的-F和-OH官能团可通过煅烧处理去除。结合SEM和XRD结
果可知，在空气氛围下，当温度高于200℃时，Ti
3
C
2
T
x
二维材料与O
2
反应生成TiO
2
光催化剂，TiO
2
/Ti
3
C
2
T
x
复合光催化剂通过肖特基势垒形成异质结，能够有效提高光生电子和空穴的复合率，TiO
2
/Ti
3
C
2
T
x
-200
复合光催化剂对甲基橙的降解率可达到58.65%，拓宽了MXene材料在光催化领域的应用。
关键词
Ti
3
C
2
T
x
，热力学稳定，TiO
2
，光催化活性
Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
/licenses/by/4.0/
1. 引言
目前，二维晶体材料如石墨烯、石墨相氮化碳、二硫化钼等由于具有较大的比表面积和优异的电子
传导能力，而被广泛应用于光催化降解有机物、光催化制氢和电化学领域[1]。石墨烯材料是目前研究最
为广泛的一种二维材料，它是一种由碳原子以sp
2
杂化轨道组成的二维蜂窝状结构的单原子层晶体，其理
论比表面积高达2630 m
2
g
−1
，电子迁移率高达200,000 cm
2
v
−1
s
−1
。但由于石墨烯层与层间的范德华力相对
较弱，且制备过程复杂等特点限制了其广泛应用[2]。
MXene是一种新型二维过渡金属碳化物或碳氮化物，2011年Naguib等[3]利用HF选择性刻蚀掉三
元层状金属间化合物Ti
3
AlC
2
中的金属Al层，首次成功制备二维Ti
3
C
2
MXene材料。这类新型二维材料
由M
n+1
AX
n
制备而来，其中M代表早期过渡金属元素，A主要为III或IV族元素，X表示C、N元素，
n通常指1、2、3 [4]。由于MXene材料具有类石墨烯结构，具备良好的电子传导和储备能力，因此目前
已广泛应用于离子电池、超级电容器和生物探头等方面[5] [6] [7]。MXene的化学通式为M
n+1
X
n
T
z
，T一
般指HF刻蚀过程中其表面覆盖的O、OH、F基团，这些官能团的存在可改变MXene材料的化学性质[4]。
理论计算表明带有F和OH官能团的Ti
3
C
2
T
x
MXene表现出明显的半导体特征，可用作新型光催化剂材料
[6]。Feng等[8]采用HF和NH
4
HF
2
刻蚀的方法制备Ti
3
C
2
二维材料，探究在不同温度下Ti
3
C
2
的热力学稳
定情况，结果表明温度能够改变Ti
3
C
2
MXene材料的微观结构和化学性质。Peng等[9]通过水热法制备
(111)TiO
2-x
/Ti
3
C
2
复合光催化剂，在紫外光的照射下，光催化降解亚甲基蓝的效果明显优于纯TiO
2
材料。
本文采用经典HF蚀刻Ti
3
AlC
2
的方法成功制备Ti
3
C
2
T
x
二维层状材料，并通过热重分析研究不同温
度下Ti
3
C
2
T
x
材料微观结构的变化，采用一步煅烧法制备TiO
2
/Ti
3
C
2
T
x
复合材料，并通过降解染料甲基橙
研究其光催化性能的变化。
2. 实验部分
2.1. TiO
2
/Ti
3
C
2
T
x
制备方法
本文选用Ti
3
AlC
2
(200目，北京福斯曼有限公司)作为反应原料，采用HF选择性刻蚀方法制备Ti
3
C
2
T
x
，
实验流程图如图1所示。首先，取5 g Ti
3
AlC
2
粉末浸入100 mL 49%的HF溶液中，充分搅拌后将温度升
至60℃。反应24 h后，将所得粉末用去离子水清洗至pH约为7，并用乙醇离心清洗三次，最后将粉末
在60℃真空烘箱中干燥过夜，最终得到Ti
3
C
2
T
x
粉末。
DOI: 10.12677/hjcet.2018.85042
327
化学工程与技术