TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用。其是在高温高压环境下，以NaBF4作为形貌诱导剂部分氧化MXene，以制得TiO2/MXene光阳极材料；然后利用滴涂法将利用所述TiO2/MXene光阳极材料制备的膜液滴涂在FTO导电玻璃表面，以实现对316L不锈钢的光生阴极保护。本发明专利技术获得的TiO2/MXene光阳极可明显降低316L不锈钢的阴极保护电位，促使其阴极极化，从而有效抑制316L不锈钢腐蚀的发生，发挥显著的光生阴极保护效果。发挥显著的光生阴极保护效果。发挥显著的光生阴极保护效果。

【技术实现步骤摘要】
TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用


[0001]本专利技术属于光生阴极保护领域，具体涉及一种TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用。

技术介绍

[0002]不锈钢（316L）具有优异的耐腐蚀性能和耐高温性能，在海洋工程中得到了广泛的应用。然而，由于海水中的高浓度氯离子具有强烈的腐蚀性，造成了316L不锈钢的大量腐蚀。为了减少腐蚀，阴极保护方法得到了广泛的关注，然而，现有的阴极保护方法常常会导致环境污染、材料浪费和能源消耗等问题，因此新型阴极保护技术亟待发展。
[0003]为解决上述问题，利用半导体的光电响应保护金属免受腐蚀的光生阴极保护法逐渐引起人们的注意。在阴极保护过程中，通常半导体充当光阳极，光照射在光阳极上，其价带(VB)中的电子跃迁到导带(CB)并在光照下产生光电子。当光阳极与金属连接时，光电子会不断流入金属基体，在金属表面形成更负的保护电位，从而抑制金属腐蚀。近年来，人们已经研发了用于光生阴极保护的多种半导体材料。其中TiO2由于其成本低、无毒、储量丰富和化学惰性等优点，被认为是一种理想的光阳极材料，受到光生阴极保护研究者的广泛关注。然而，由于TiO2的宽带隙（3.2eV），使其光吸收范围窄，抑制了对可见光的吸收，另外光生电子
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空穴对的快速复合，也严重影响了光电保护效率。因此，对TiO2进行改性具有十分重要的意义。
[0004]目前，已经报道了许多半导体材料以及金属/非金属掺杂改性TiO2，并将其用于金属的光生阴极保护领域。其中，窄禁带半导体材料被广泛用作光生阴极保护领域的助催化剂。这种改性方法主要是使用一种窄禁带半导体与TiO2进行复合得到光阳极材料，以此拓宽TiO2光响应范围并用于光生阴极保护领域。然而这种方法容易导致光腐蚀现象的产生，同时由于两种半导体的简单复合，容易导致两种半导体之间连接不紧密，造成脱落等缺点。另外，这种改性方法更注重的是拓宽TiO2的光响应范围，并没有改善TiO2的其他性能，例如导电率、光吸收率等。因此，为解决上述问题，拓展改善TiO2光生阴极保护性能的助催化剂材料具有十分重要的意义。
[0005]MXenes作为一类新型二维（2D）材料得到许多学者的关注。由于其特殊的结构展现出独特的性能，例如高导电性、巨大的比表面积和更多的活性位点等。目前，已有利用煅烧、球磨刻蚀和外加氧化剂等方式得到了TiO2/MXene光催化剂，并用于光催化析氢、光催化降解污染物等领域的报道，但少有制备TiO2/MXene光阳极材料的相关研究。现有专利（CN 114563449A）使用外加钛源与MXene溶液混合，利用一步水热法在FTO导电玻璃表面直接得到TiO2/MXene光阳极材料，这种方法获得的TiO2‑
MXene异质结存在连接不紧密、电子传输速率较低，且容易造成脱落等问题。因此，制备新型TiO2/MXene光阳极材料并将其应用于光生阴极保护领域具有巨大的研究前景。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利技术提供了一种TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用。本专利技术利用MXene自身含有钛元素的特性，在特殊环境中将MXene表面直接氧化生成TiO2，从而获得TiO2/MXene光阳极材料，这避免了外加钛源所造成的异质结之间连接不紧密等问题；同时，本专利技术中采用NaBF4作为形貌诱导剂，可以使MXene氧化生成的纳米TiO2展现大量具有高催化活性的晶格平面，并在高催化活性TiO2与MXene之间的界面上形成肖特基势垒，以提高光生电荷的传输速率，抑制光生载流子的复合速率。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用，所述TiO2/MXene光阳极材料是在高温高压环境下，以NaBF4为形貌诱导剂部分氧化MXene而制得；其制备包括以下步骤：（1）MXene的制备：使用HF溶液对Ti3AlC2粉末进行刻蚀，然后依次通过去离子水和无水乙醇进行重复洗净，再经过真空干燥，以获得MXene材料；（2）制备TiO2/MXene光阳极材料：将所得MXene材料与NaBF4溶于稀盐酸中，充分搅拌并超声分散后得到混合溶液；然后将该混合溶液倒入密闭容器中，对密闭容器进行加压加热以促进反应，使得MXene层状结构发生破坏，并在其表面氧化生成纳米片状TiO2，再将反应后得到的混合溶液依次经离心、洗涤、真空干燥，得到所述TiO2/MXene光阳极材料。
[0008]进一步地，步骤（1）中所述HF溶液的质量浓度为40%，其用量按每10g Ti3AlC2粉末使用150ml进行换算。
[0009]进一步地，步骤（1）中所述刻蚀的温度为60℃，时间为30h。
[0010]进一步地，步骤（2）中所用MXene材料与NaBF4的质量比为1:1.5，所述稀盐酸的浓度为0.5mol/L。
[0011]进一步地，步骤（2）中所述搅拌的时间为20~40min，所述超声分散的时间为40~60min；所述反应的温度为150℃，压力为1.5Mpa，时间为0
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24小时。
[0012]进一步地，利用所述TiO2/MXene光阳极材料进行光生阴极保护的具体方式是利用所述TiO2/MXene光阳极材料制备成膜液，然后利用滴涂法将该膜液滴涂在FTO导电玻璃表面，经干燥制得光阳极膜，用于对316L不锈钢的光生阴极保护。
[0013]进一步地，所述膜液是将5~10mg TiO2/MXene光阳极材料分散在0.5mL~1mL DMF中，然后加入20~30μL Nafion膜溶液，经坩埚研磨制得。
[0014]进一步地，所述膜液的用量按FTO导电玻璃上每1cm2有效面积滴涂30~50μL进行换算。
[0015]进一步地，所述干燥的温度为60
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80℃，时间为15
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30min。
[0016]本专利技术所具有的优点：本专利技术将MXene表面氧化后滴涂在FTO导电玻璃上，得到的TiO2/MXene光阳极，扩大了TiO2对光的响应范围，有效提高对太阳光的利用率，显著增强了TiO2对316L不锈钢的阴极保护效果。具体为：1. 由于通过原位氧化的方式对两种材料进行复合，因此相比于其他复合方式，本
专利技术合成的TiO2/MXene光阳极材料具有更加紧密的异质结，并在氧化过程中以NaBF4作为形貌诱导剂，使得氧化生成的TiO2展现出大量具有高催化活性的晶格平面，并在TiO2与MXene间的界面上形成肖特基势垒，这提高了光生电荷的传输速率，抑制了光生载流子的复合速率，同时提高了对太阳光的利用效率，扩大了TiO2对光的响应范围。
[0017]2. 由于MXene的费米能级比二氧化钛更负，并且TiO2的禁带宽度较大（3.2eV），而MXene则表现出金属性质，禁带宽度几乎为0，在受到相应波长的光照时，TiO2/MXene光阳极可作为空穴的受体，从而进一步抑制光生载流子的复合，使光催化性能进一步提高。另外，通过滴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用，其特征在于：所述TiO2/MXene光阳极材料是在高温高压环境下，以NaBF4为形貌诱导剂部分氧化MXene而制得。2.根据权利要求1所述的TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用，其特征在于：所述TiO2/MXene光阳极材料的制备包括以下步骤：（1）MXene的制备：使用HF溶液对Ti3AlC2粉末进行刻蚀，然后依次通过去离子水和无水乙醇进行重复洗净，再经过真空干燥，以获得MXene材料；（2）制备TiO2/MXene光阳极材料：将所得MXene材料与NaBF4溶于稀盐酸中，充分搅拌并超声分散后得到混合溶液；然后将该混合溶液倒入密闭容器中，对密闭容器进行加压加热以促进反应，再将反应后得到的混合溶液依次经离心、洗涤、真空干燥，得到所述TiO2/MXene光阳极材料。3. 根据权利要求2所述的TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用，其特征在于：步骤（1）中所述HF溶液的质量浓度为40%，其用量按每10g Ti3AlC2粉末使用150ml进行换算。4.根据权利要求2所述的TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用，其特征在于：步骤（1）中所述刻蚀的温度为60℃，时间为30h。5.根据权利要求2所述的TiO2/MXene光阳极材料在光生阴极保护中的应用，其特征在于：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文成，程林森，林镇坤，杨政险，叶玉娇，卢林，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：