[发明专利]一种二维碳化钛/二维石墨相氮化碳纳米片异质结的制备及在光催化还原CO2中的应用

说明书

本发明属于新材料的制备技术领域，具体公开了一种超薄二维碳化钛/二维石墨相氮化碳纳米片可见光异质结催化材料的制备方法，制备步骤是：(1)将Ti₃AlC₂用HF酸刻蚀去掉Al层，得到Ti₃C₂(碳化钛)粉末；(2)将得到的碳化钛粉末分散至尿素溶液中，放置于冰水浴中超声2h使其分散均匀，然后烘干分散液，得到碳化钛‑尿素前驱体；(3)将碳化钛‑尿素前驱体粉末，于N₂氛围下550℃煅烧2h，得到超薄二维碳化钛/二维石墨相氮化碳纳米片异质结。本方法工艺简单、成本低廉、所得产品还原二氧化碳性能优异，在缓解我国能源危机和温室效应领域中具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及新材料的制备技术领域，具体涉及一种高可见光催化活性的二维碳化钛/二维石墨相氮化碳纳米片异质结的制备方法，及其在可见光催化CO₂转化中的应用。

背景技术

人类社会高速发展使得对不可再生的化石燃料需求量增大。大量消耗化石燃料会向环境中排放大量的CO₂，从而导致了温室效应和能源危机问题。这些问题严重阻碍了人类可持续发展。近年来，将CO₂转化为高附加值的化学能源如甲烷、甲醇、一氧化碳等受到了研究者们的广泛关注。

目前，将CO₂转化为化学能源的方法有光催化(Joule,2019,3,1-14)、电催化(J.Am.Chem.Soc.,2012,134,7231-7234)、生物转化(Science,2012,10,1126) 等等。相比于其他方法，光催化因具有可直接利用太阳光、条件温和、操作简单、无二次污染等优越性，因此被视为一种理想的解决能源与环境问题的有效手段。石墨相氮化碳因为具有良好的物理化学稳定性、廉价、无毒以及合适的电子能带结构而受到研究者的广泛关注，并作为一种潜在的光催化剂用于CO₂还原。然而，由于光生载流子的快速复合，石墨相氮化碳的光催化性能受到了极大的抑制。为了克服这个致命缺点，一个常用的改性方法是将石墨相氮化碳与有效的助催化剂进行耦合。例如，在石墨相氮化碳表面负载Pd(J.Catal.,2017,349,208-217) 等贵金属。这些贵金属的存在能提升光生电荷分离效率，并且提供更多的反应活性位点，从而增强石墨相氮化碳的光催化活性。但是，贵金属价格昂贵，储备量少，这严重阻碍了其广泛应用。

据文献报道，过渡金属碳化物如碳化钛，因具有良好的导电性，独特的二维层状堆叠结构，被认为是一种潜在的助催化剂并常用于电化学领域(J.Mater. Chem.A,2019,7,8984-8992.)。然而，将碳化钛与半导体复合，并应用于光催化领域的研究还尚鲜见报道。目前，有研究者将体相多层碳化钛与氮化碳共煅烧制备碳化钛/氮化碳复合催化剂，来提升氮化碳的光催化产氢性能(J.Mater.Chem. A,2018,6,9124–9131)。但是，体相多层碳化钛与氮化碳的接触不充分，不能最大化促进电荷的分离。构建超薄二维碳化钛/氮化碳异质结应该是一个好的解决该问题的方法。有研究人员首先通过长时间的二甲亚砜分子插层碳化钛，然后长时间的超声剥离，从而制备出超薄碳化钛纳米片，再与制备好的超薄氮化碳纳米片通过静电自组装的方法制备出超薄二维碳化钛/氮化碳异质结，碳化钛良好的导电能力以及二者亲密充分的接触促进了电荷空间分离(Appl.Catal.B,2019, 258,117956-117966.)。但是该方法耗时繁琐，且超薄碳化钛纳米片的产率极低，浪费原料。到目前为止，还没有人报道通过一步法煅烧体相多层碳化钛与氮化碳前驱体，从而制备超薄二维碳化钛/氮化碳异质结。

发明内容

针对现有技术中存在的不足以及技术上的缺失，本发明的目的在于提供一种高可见光催化活性的超薄二维碳化钛/二维石墨相氮化碳纳米片异质结的制备方法。由本发明方法所制备的超薄二维碳化钛/二维石墨相氮化碳纳米片异质结催化剂在可见光下具有良好的光催化还原CO₂的能力，其应用前景十分广阔。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：