本发明专利技术涉及一种TiO2/MXene异质结复合气凝胶的制备方法及应用，将MAX材料进行化学刻蚀，得到二维层状结构的MXene材料，在形貌控制剂NaBF4的作用下，通过温和的水热法将MXene材料部分氧化，制备出TiO2/MXene异质结；采用原位凝固法，在碳酸钙和葡萄糖酸内酯的作用下，将TiO2/MXene异质结与海藻酸钠交联制成复合水凝胶；再经过液氮预冷冻、冷冻干燥和低温退火等处理，制备出三维网状结构的TiO2/MXene异质结复合气凝胶。本发明专利技术制备的TiO2/MXene复合气凝胶具有较好的导电性和优良的吸光性能，可直接作为光电极应用于光电催化领域，具有广阔的应用前景。的应用前景。的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
一种TiO2/MXene异质结复合气凝胶的制备方法及其应用
[0001]本专利技术涉及光电催化材料
，具体是一种TiO2/MXene异质结复合气凝胶的制备方法及其应用。
技术介绍
[0002]基于目前全球较为严峻的能源危机和环境问题，以及我国“碳中和”、“碳达峰”目标的实现，开发可再生清洁能源、降低大气中CO2浓度，是国内外亟待解决的重要问题。利用清洁可持续的太阳能，通过光催化或光电催化途径将CO2还原为高附加值的碳基能源分子，能同时缓解能源危机和改善环境问题，为新能源的开发提供了一种新的思路。
[0003]二维MXene材料，是一类具有类石墨烯结构的过渡金属碳化物或氮化物，因其独特的电子特性、优良的结构稳定性和导电性，受到广泛的研究和关注。然而由于MXene材料容易发生纳米片的再堆叠，使得其比表面积低于大多数的纳米半导体材料，在光电催化领域的应用受到限制。气凝胶是一类结构可控的纳米多孔性材料，具有大的比表面积、高的孔隙率。将MXene材料部分氧化后得到的TiO2/MXene异质结气凝胶化，不仅可以提高其比表面积、增大表面活性位点利用率，而且可以提升电荷的传输效率，从而改善其光电催化性能。
技术实现思路
[0004]为解决上述问题，本专利技术提供一种TiO2/MXene异质结复合气凝胶的制备方法及其应用，本专利技术采用原位凝固法，以海藻酸钠(SA)、碳酸钙和葡萄糖酸内酯为交联剂，在冰模板作用下进行自组装，通过液氮预冷冻、冷冻干燥得到三维网状结构的气凝胶。经低温退火，将气凝胶中的SA部分碳化，增强其稳定性及导电性，最终得到TiO2/MXene异质结复合气凝胶。所述TiO2/MXene异质结复合气凝胶具有良好的导电性、优良的吸光性和柔韧性，不仅可以直接作为光电极应用于光电催化还原CO2反应中，还可以作为光电极应用于N2还原和H2O2的合成等，具有广阔的应用前景。
[0005]本专利技术的目的之一是提供一种TiO2/MXene异质结复合气凝胶的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
[0006](1)称取一定质量的MAX粉末，将其进行化学刻蚀以除去其中的Al原子层，得到MXene材料；
[0007](2)称取一定质量步骤(1)中得到的MXene材料，将其加入到一定体积的去离子水中，使其浓度为10mg/mL，再依次加入一定体积的浓HCl和一定质量的NaBF4，超声30min后将上述溶液转移至水热釜中，将上述水热釜放入鼓风干燥箱中，在一定温度下水热氧化反应一定时间；反应结束后，待水热釜温度冷却至室温，将水热釜内所得溶液进行多次离心，并用去离子水洗涤离心所得沉淀，直至离心后的上清液为中性，收集离心所得沉淀置于60℃真空干燥箱中干燥36h，得到原位形成的TiO2/MXene异质结材料；
[0008](3)称取一定质量步骤(2)中得到的TiO2/MXene异质结材料，将其加入到10mL去离子水中，超声30min形成均匀的分散液A；另外称取一定质量的海藻酸钠，将其加入到10mL去
离子水中，在45℃水浴条件下搅拌至形成均匀的分散液B。然后将分散液A加入到分散液B中，搅拌1h后形成均匀的混合分散液C；
[0009](4)称取18mg碳酸钙加入到步骤(3)所得的混合分散液C中，充分搅拌大约1h直至肉眼看不到白色颗粒，得到溶液D。称取64.1mg葡萄糖酸内酯，加入上述溶液D中，搅拌30min后，得到溶液E。然后将溶液E转移至硅胶模具中，静置一定时间，待其缓慢交联形成TiO2/MXene异质结复合水凝胶；
[0010](5)将尺寸为3*3*6cm的金属铜块的底部浸泡在
‑
196℃的液氮中，再将步骤(4)得到的装有水凝胶的硅胶模具放置在上述金属铜块上，预冷冻10min后，将上述硅胶模具取出放入冷冻干燥机中，在冷冻温度为
‑
45℃、真空度为10Pa的条件下干燥48h，得到冷冻干燥后的TiO2/MXene复合气凝胶；
[0011](6)将步骤(5)得到的冷冻干燥后的TiO2/MXene复合气凝胶置于管式炉中，在Ar/H2或Ar氛围下，以5℃/min的升温速率升至200～500℃，并在该温度下保持1～2h，得到退火后的TiO2/MXene复合气凝胶；
[0012](7)将步骤(6)得到的退火后的TiO2/MXene复合气凝胶在一定浓度的盐酸中浸泡1h，用去离子水洗去剩余的HCl，至洗涤液为中性，再将上述洗涤后的TiO2/MXene复合气凝胶置于50℃真空干燥箱中干燥48h，即可制得TiO2/MXene异质结复合气凝胶。
[0013]优选的，步骤(1)为：称取2g MAX粉末，将其加入到装有20mL HF溶液的塑料烧杯中，之后将烧杯转移至通风橱中在室温条件下搅拌，直至该烧杯中的溶液不再有气泡冒出，再向该溶液中加入去离子水，在8000rpm下离心5min后洗涤下层沉淀，再对该沉淀进行多次离心、洗涤，直至离心后上清液为中性，收集离心所得沉淀置于60℃真空干燥箱中干燥36h，得到MXene材料；其中MAX粉末的质量为2g，HF溶液的质量分数为30％～40％。
[0014]优选的，步骤(1)中的MAX粉末包括Ti3AlC2、Ti3AlCN、Ti2AlC、Ti2AlN中的一种或多种，进行化学刻蚀后对应得到的MXene材料包括Ti3C2Tx、Ti3CNTx、Ti2CTx和Ti2NTx中的一种或多种。
[0015]优选的，步骤(2)中称取的MXene材料的质量为300～600mg，超声后所得到的溶液中HCl的浓度为1mol/L，NaBF4的浓度为0.1mol/L。
[0016]优选的，步骤(2)中鼓风干燥箱的温度为140℃～200℃，水热反应的时间为4h～12h。
[0017]优选的，步骤(3)中称取的TiO2/MXene异质结材料的质量为200～400mg。
[0018]优选的，步骤(3)中制备混合分散液C时，分散液A中TiO2/MXene异质结材料与分散液B中海藻酸钠的质量比为(1～5):1。
[0019]优选的，步骤(4)中硅胶模具为2.5*2.5*2.5cm的正方体，静置时间为24h～48h。
[0020]步骤(4)中碳酸钙和葡萄糖酸内酯的物质的量比为1：2，以保持溶液的pH为中性，使得交联离子Ca
2+
缓慢释放。
[0021]步骤(5)中TiO2/MXene异质结水凝胶置于一个部分浸于液氮的铜块上，水凝胶底部温度很低而顶部温度较高，产生了垂直方向的温度梯度，冰晶在水凝胶和铜块的界面处开始沿着竖直方向生长。冰晶的生长使得TiO2/MXene异质结沿着垂直方向取向，得到定向生长的三维网状结构的TiO2/MXene异质结气凝胶。
[0022]步骤(6)中的低温退火是为了使TiO2/MXene复合气凝胶中的海藻酸钠碳化，既可
以增强气凝胶的稳定性，又可以增加其导电性。
[0023]优选的，步骤(7)中盐酸的浓度为1mol/L～3mol/L，用来除去气凝胶中残余的碳酸钙本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种TiO2/MXene异质结复合气凝胶的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：(1)称取一定质量的MAX粉末，将其进行化学刻蚀，得到MXene材料；(2)称取一定质量步骤(1)中得到的MXene材料，将其加入到一定体积的去离子水中，使其浓度为10mg/mL，再依次加入一定体积的浓HCl和一定质量的NaBF4，超声30min后将上述溶液转移至水热釜中，将水热釜放入鼓风干燥箱中，在一定温度下水热反应一定时间；反应结束后，待水热釜温度冷却至室温，将水热釜内所得溶液进行多次离心，并用去离子水洗涤离心所得沉淀，直至离心后的上清液为中性，收集离心所得沉淀并将其置于60℃真空干燥箱中干燥36h，得到TiO2/MXene异质结材料；(3)称取一定质量步骤(2)中得到的TiO2/MXene异质结材料，将其加入到10mL去离子水中，超声30min形成均匀的分散液A；另外称取一定质量的海藻酸钠，将其加入到10mL去离子水中，在45℃水浴条件下搅拌至形成均匀的分散液B；然后将分散液A加入到分散液B中，搅拌1h后形成均匀的混合分散液C；(4)称取18mg碳酸钙加入到步骤(3)所得的混合分散液C中，充分搅拌直至肉眼看不到白色颗粒，得到溶液D；称取64.1mg葡萄糖酸内酯，加入上述溶液D中，搅拌30min后，得到溶液E；然后将溶液E转移至硅胶模具中，静置一定时间，待其形成TiO2/MXene异质结复合水凝胶；(5)将尺寸为3*3*6cm的金属铜块的底部浸泡在
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196℃的液氮中，再将步骤(4)得到的装有水凝胶的硅胶模具放置在上述金属铜块上，预冷冻10min后，将上述硅胶模具取出放入冷冻干燥机中，在冷冻温度为
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45℃、真空度为10Pa的条件下干燥48h，得到冷冻干燥后的TiO2/MXene复合气凝胶；(6)将步骤(5)得到的冷冻干燥后的TiO2/MXene复合气凝胶置于管式炉中，在Ar/H2或Ar氛围下，以5℃/min的升温速率升至200～500℃，并在该温度下保持1～2h，得到退火后的TiO2/MXene复合气凝胶；(7)将步骤(6)得到的退火后的TiO2/MXene复合气凝胶在浓度为1mol/L～3mol/L的盐酸中浸泡1h，用去离子水洗去剩余的盐酸，至洗涤液为中性，再将洗涤后的复合气凝胶置于50℃...
【专利技术属性】
技术研发人员：许艳杰，张力文，王芳，高亚辉，李娜，赵丹，刘志远，霍瑞浩，王烁，
申请(专利权)人：洛阳理工学院，
类型：发明
国别省市：
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