Ti3C2/TiO2/BiOBr 三元复合材料用于高效光催化去除有机污染物

《Catalysis Today》：Ti 3C 2/TiO 2/BiOBr ternary composites for efficient photocatalytic removal of organic contaminants

　　

摘要

通过简便的一锅水热策略构建了三元 Ti?C₂/TiO₂/BiOBr 异质结。在水热处理过程中，Ti₃C₂ 发生了部分原位氧化，导致 MXene 界面处良好锚定了 TiO? 纳米颗粒。系统研究了水热参数对结构、光学和光电化学性质以及光催化性能的影响。优化后的催化剂在 30 分钟 内对四环素（TC）和罗丹明 B（RhB）的降解效率分别为 74.4% 和 87.4%。异质结的形成扩展了 BiOBr 的可见光响应，并加速了光生电荷载流子的有效分离和迁移。此外，复合材料增大的比表面积为光催化反应提供了大量的活性位点。自由基捕获实验进一步揭示 •O₂^? 和 h⁺ 是降解过程中的主要活性物种。基于这些发现，提出了电荷转移路径来解释增强后的光催化活性。

引言

水环境中的持久性有机污染物因其长期的生态和健康影响已成为主要关注点。大量有机污染物，特别是工业染料和药用抗生素，持续排放到水体中。由于其高毒性、化学稳定性和抗自然降解性，这些污染物会严重破坏水生生态系统和生物多样性，并可能通过食物链进一步生物积累，对人类健康构成严重风险 [1], [2], [3]。传统废水处理技术（如物理吸附、生物处理等）往往存在去除效率有限、操作程序复杂和潜在二次污染等问题。与这些方法相比，光催化由于反应条件温和、环境兼容性好且能耗低，提供了一种在光照射下降解污染物的环境友好途径 [4]。因此，提高光催化材料的效率仍然是推进实际应用的核心问题。在各种改进策略中，异质结构建已被证明能有效抑制电子 - 空穴对的复合 [5]。此外，结合了多种功能组件互补优势的四元异质结系统，与单组分或二元异质结相比，在能带结构调控和界面电荷转移方面提供了更大的灵活性 [6]。

BiOBr 是一种典型的层状铋氧卤化物半导体，由于其合适的能带结构和可见光响应，在光催化领域得到了广泛研究 [7]。BiOBr 的层状结构可以提供丰富的暴露晶面，并有利于与其他组分紧密接触，这有利于构建异质结界面和缩短光生载流子的迁移距离 [8]。MXene 是一种代表性的二维过渡金属碳化物，具有高导电性、层状结构和丰富的表面终止基 [9], [10]。由于这些特征，MXene 已被广泛用作光催化系统中的电子转移支架 [11], [12], [13]，它可以有效地促进电荷转移并抑制电子 - 空穴复合。Guo 等人 [14] 通过水热法制备了 BiOBr/Ti₃C₂T_x MXene 二元异质结，与原始组分相比，表现出显著增强的洛克沙砷光催化降解能力，表观量子效率为 29.5%。然而，二元系统在界面调控和低降解效率方面仍存在局限性。

因此，三元异质结构的构建引起了越来越多的关注。TiO₂ 作为一种经典的宽带隙半导体，表现出优异的化学稳定性和强氧化还原能力，常用于调节 MXene 基复合系统中的能带对齐和界面电荷转移 [15], [16]。例如，Yang 等人 [17] 通过水热法和沉淀法的结合构建了 BiOBr/(001)-TiO₂/Ti₃C₂T_x 三元异质结构，实现了 RhB 98% 的降解效率，显著高于原始 BiOBr 和 (001)-TiO₂。在这类系统中，TiO₂ 通常通过几种方法引入，包括 TiO₂ 纳米颗粒的物理混合，以及通过高温煅烧诱导 Ti₃C₂ 氧化生成 TiO₂ [18], [19], [20]。此外，水热液相方法也已用于在 MXene 表面原位形成 TiO₂ [21]。

在本研究中，以 Ti₃AlC₂ 为前驱体合成了 Ti₃C₂，并通过水热方法原位构建了 Ti₃C₂/TiO₂/BiOBr 三元异质结。详细讨论了水热参数对结构、光学、光电化学和光催化性质的影响。优化后，TC 和 RhB 的去除效率均显著提高，归因于有效的电荷分离和增加的活性位点。本研究为设计高效的三元异质结催化剂以高效去除有机污染物提供了有价值的见解。

章节摘要

Ti₃C₂/TiO₂/BiOBr 的制备

Ti₃C₂ MXene 是通过以 Ti₃AlC₂ 为前驱体的化学蚀刻工艺制备的 [22]。具体而言，将 Ti₃AlC₂（0.5 g）引入氢氟酸溶液（20 mL）中，在连续磁力搅拌下并保持在 25 °C 左右 24 h 以完成蚀刻反应。反应后，得到深蓝色悬浮液，并用去离子水反复冲洗至中性。收集沉淀物并在 60 °C 左右真空干燥 12 h 以获得 Ti₃C₂ MXene。

Ti₃C₂/TiO₂/BiOBr 是

结构和表面分析

图 1 展示了不同水热条件下 Ti₃AlC₂、Ti₃C₂ 以及 MT、BiOBr 和 MTB 复合材料的 XRD 图谱。在图 1a 中，Ti₃AlC₂ 具有明显的衍射峰，蚀刻后，（002）和（104）峰消失，而在 8.9 °、18.3 ° 和 60.7 ° 附近出现新峰，分别对应于（002）、（004）和（110）晶面，表明 Ti₃AlC₂ 成功转化为 Ti₃C₂ [23], [24]。在图 1b 中，与纯 Ti₃C₂ 相比，MT 样品在

结论

通过一锅水热法成功构建了用于去除 TC 和 RhB 的三元 Ti₃C₂/TiO₂/BiOBr 异质结。在模拟太阳光照射 30 分钟 后，在 24 h 的 140 °C 下制备的催化剂对 TC 的降解效率最高，达到 74.4%，对 RhB 的降解效率为 87.4%。MXene 作为电子介体，有效促进了电荷分离并抑制了 BiOBr 和 TiO₂ 的电子 - 空穴复合。由于三元异质结内的协同相互作用，该

CRediT 作者贡献声明

李亚雄: 软件。 雷珂: 形式分析。 王睿: 数据整理。 张金钟: 监督。 冯伟: 资金获取。 孙燕: 写作 - 审查与编辑。 杨瑞琪: 写作 - 初稿。 仲玥: 调查。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究由 四川省自然科学基金（编号 2025NSFSC2065）支持。

杨瑞琪 | 仲玥 | 李亚雄 | 雷珂 | 王睿 | 张金钟 | 冯伟 | 孙燕

中国四川省成都市成都大学机械工程学院，邮编 610106