NP掺杂的Ti3C2修饰的多孔g-C3N4光催化剂用于污染物降解和氮固定

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：NP-codoped Ti 3C 2 decorated porous g-C 3N 4 photocatalysts for contaminants degradation and nitrogen fixation

NP-Ti3C2/g-C3N4复合材料通过超声化学法制备，XRD、SEM等表征证实结构稳定。光催化降解罗丹明B、左氧氟沙星和四环素效率分别提升1.44、1.15、1.16倍，超氧自由基为活性物质，氮气固定速率达2.49 mmol·gcat?1·h?1，循环三次性能稳定。

　　近年来，随着全球能源危机和环境污染问题的日益加剧，寻找高效、可持续的解决方案成为科研领域的核心任务之一。在这一背景下，光催化技术因其能够利用太阳能并实现污染物的降解和能量转换，受到了广泛关注。光催化材料通常由半导体组成，其性能受多种因素影响，如光吸收能力、电子-空穴对的分离效率以及材料的表面反应活性。然而，传统半导体材料往往存在较大的禁带宽度和快速的载流子复合现象，这限制了其在实际应用中的效率。因此，如何通过有效的材料改性方法提升光催化性能，成为当前研究的重点。

为了克服上述问题，研究者们提出了多种策略，包括元素掺杂、形貌调控、异质结构建以及多孔结构设计。其中，元素掺杂被认为是一种非常有效的方式，能够调节半导体的能带结构，提高光吸收能力，增强表面反应活性。例如，通过氮、氧等元素的掺杂，可以显著改善g-C?N?（石墨相氮化碳）的性能，使其在可见光区域表现出更强的催化活性。此外，多孔结构的构建也能增加材料的比表面积，从而提供更多的活性位点，进一步提升光催化效率。

在众多改性方法中，异质结的构建尤其受到重视。异质结可以促进电子和空穴的分离，减少它们的复合率，从而提高光催化反应的效率。例如，Ti?C?（一种新型二维材料）因其具有较大的比表面积、良好的导电性、优异的稳定性以及可调控的表面化学性质，被广泛应用于光催化体系中。Ti?C?不仅可以作为共催化剂，还能与主要催化剂形成异质结，从而提升整体的光催化性能。研究表明，Ti?C?的氮掺杂能够显著改善其载流子密度和表面反应活性，使其成为一种有效的修饰材料。

基于此，本研究提出了一种简便的超声化学合成方法，用于将氮磷共掺杂的Ti?C?（NP-Ti?C?）纳米片负载到g-C?N?上，形成NP-Ti?C?/g-C?N?复合材料。这种复合材料不仅具有良好的光吸收性能，还能有效提升电子-空穴对的分离效率，从而显著增强光催化反应的性能。实验结果表明，与原始的g-C?N?相比，NP-Ti?C?/g-C?N?复合材料（NPTCCN-1）在降解Rhodamine B（罗丹明B）、左氧氟沙星（LEVO）和四环素（TC）时，效率分别提高了1.44、1.15和1.16倍。此外，该复合材料在光催化过程中表现出优异的氨生成能力，其最大氨生成速率达到2.49 mmol·g?1·h?1，比原始g-C?N?高2.8倍。

为了验证这一复合材料的优异性能，研究人员通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及X射线光电子能谱（XPS）等多种表征手段，对其结构和化学组成进行了详细分析。XRD结果表明，经过24小时的氢氟酸（HF）蚀刻处理后，Ti?AlC?的（104）晶面衍射峰消失，而（002）晶面衍射峰向低角度偏移，这证实了Ti?C?的成功合成。进一步的分析显示，NP-Ti?C?的（002）晶面衍射峰位置相较于Ti?C?有所改变，且晶面间距增加，这表明氮磷共掺杂对Ti?C?的结构产生了显著影响。

在光催化性能测试中，研究人员发现，NP-Ti?C?/g-C?N?复合材料在可见光照射下表现出更高的降解效率和氨生成能力。这主要归因于NP-Ti?C?的优异导电性，它有助于电子和空穴的快速分离，从而提高光催化反应的效率。此外，复合材料的多孔结构也为污染物的吸附和反应提供了更大的空间，进一步增强了其光催化性能。

在实际应用中，光催化技术不仅可以用于降解有机污染物，还能应用于氮的固定和转化。例如，在氮还原反应中，NP-Ti?C?/g-C?N?复合材料表现出更高的氨生成速率，这表明其在环境治理和能源转换方面具有广阔的应用前景。此外，研究人员还对复合材料的稳定性进行了测试，通过循环降解Rhodamine B和氮固定实验，发现其性能在三次循环后仍然保持稳定，且XRD图谱未发生明显变化，这表明该复合材料具有良好的循环稳定性。

综上所述，本研究通过简便的超声化学合成方法成功制备了NP-Ti?C?/g-C?N?复合材料，并验证了其在光催化降解和氮固定方面的优异性能。该复合材料的高光催化效率主要得益于其增强的光吸收能力和更快的电子-空穴分离效率。这一研究不仅为g-C?N?基催化剂的改性提供了新的思路，也为其他光催化剂的优化提供了重要的参考价值。未来，进一步的研究可以探索该复合材料在不同污染物降解和能量转换应用中的性能，以及其在实际环境中的稳定性与可重复使用性。此外，还可以尝试与其他类型的催化剂进行复合，以进一步提升其性能。总之，NP-Ti?C?/g-C?N?复合材料的开发和应用，为解决能源和环境问题提供了新的可能。