氯酚类污染物对水域生态系统造成严重威胁。光催化技术具有广阔的净化前景。采用气氛调制法成功地合成了具有混晶特性和氧空位(OVs)的 MXene 衍生 TiO₂纳米复合材料(E-TiO₂@rGO)。与工业 TiO₂和 N₂-TiO₂@rGO (锐钛矿相)相比，E-TiO2@rGO (0.06874 min-1)在2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TCP)作用下的降解速率常数分别提高了4倍和1.3倍。锐钛矿相和金红石相的共存是提高光催化性能的主要原因。一方面，混晶相缩小了带隙，扩大了光吸收范围;。另一方面，它诱导了 OVs 的产生，这已被 DFT 计算所证实。OVs 的存在促进了 O2和 H2O 分子的吸附和活化，有利于活性自由基的形成。另外，rGO 的加入促进了电子-空穴对的分离。2,4,6-TCP 降解的吉布斯自由能显示，OVs 和混合晶体可以降低速率控制步骤的能量屏障，从而提高2,4,6-TCP 的二氯化效率。超氧自由基(O^{2 -})被确定为优势活性物种。最后，阐明了 E-TiO2@rGO 降解2,4,6-TCP 的可能机理。提出的混晶缺陷工程是光催化剂设计与合成的一种新策略。

 
图1. (a) Ti3C2Tx MXene，(b) MXene@GO 复合材料，(c) E-TiO2@rGO 和(d) N2-TiO2@rGO 的 SEM 图像。(e) E-TiO2@rGO 和(f) N2-TiO2@rGO 的 TEM 图像。(g) E-TiO2@rGO 和(h) N2-TiO2@rGO 纳米片的 HRTEM 图像。

 
图2. (a) XRD 结果，(b) E-TiO2@rGO 和 N2-TiO2@rGO 的 FT-IR 光谱。

 
图3. (a) XPS 测量光谱。催化剂(b) C1 s、(c) O1 s 和(d) Ti2 p 的高分辨 XPS 光谱。

 
图4. (a) P25，N2-TiO2@rGO 和 E-TiO2@rGO 的 UV-vis DRS，(b)带隙能量和(c)带结构。

 
图5. (a) 2,4,6- tcp的光催化实验;(b)合成的催化剂消除2,4,6- tcp的准一级动力学。

 
图6. (a) pH 对制备的催化剂光降解2,4,6-TCP 的影响。(b) E-TiO2@rGO 和(c) N2-TiO2@rGO 纳米片在消除2,4,6-TCP 过程中对环境阴离子的抗性(阴离子 = 1mmol · L-1)。(d) P25、 E-TiO2@rGO 和 N2-TiO2@rGO 纳米片在连续三个循环中的可持续光催化降解性能的实验。(e) E-TiO2@rGO 和(f) N2-TiO2@rGO 的自由基猝灭实验。实验条件: [2,4,6-TCP ] = 50mg/L，[催化剂] = 0.2 g/L，[清除剂] = 5mM，pH = 7，T = 25 ° C。

 
图7. (a d) DMPO-O₂^-，(b 和 e) DMPO-OH 和(c 和 f) TEMP-h + 在制备样品上的 ESR 光谱。

 
图8. (a)瞬态光电流响应，(b) EIS 曲线和(c)样品的时间分辨光致发光光谱。

 
图9. (a) E-TiO2@rGO 和(b) N2-TiO2@rGO 纳米片上2,4,6-TCP 及其中间体在紫外光催化降解中的浓度变化和积累比。

 
图10. (a) TiO2和(b) A/R@TiO2上形成 OVs 的理论计算。

 
图11. 光催化降解2,4,6-TCP 的吉布斯自由能。

  
图12. ECOSAR预测2,4,6- tcp及其转化产物对鱼类(a)、水蚤(b)和绿藻(c)的急性和慢性毒性(d)。ECOSAR是一个估计水生毒性的计算机化预测系统。
 
       相关科研成果由盐城工学院环境科学与工程学院Tianming Chen等人于2024年发表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148855）上。原文：Crystal defect engineering to construct oxygen vacancies in MXene-derived TiO2 nanocomposites for boosting photocatalytic degradation of 2,4,6-trichlorophenol。
        原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148855

转自《石墨烯研究》公众号