氨作为绿色能源载体和化工原料,在工业、农业和制药领域都发挥着重要的作用。目前,工业固氮“Haber-Bosch”法在人工合成氨中占据着不可取代的地位,“Haber-Bosch”工艺需要高纯度的氮气和氢气在高温高压条件下Fe基催化剂上进行。高温高压的合成条件每年需要消耗2%的全球能源,而天然气和煤的重整制氢会同时产生3亿吨的CO2排放。光催化固氮以太阳能为能量驱动,以水为质子源,以氮气为氮源,为常温常压下无污染可持续人工固氮开辟了一条新的途径。二维纳米材料由于其原子级的厚度尺寸、超高的比表面积、独特的电子结构等特点赋予了其优异的催化性能。二维过渡金属碳氮化物(MXene)是一种新型的二维层状纳米材料,集优异导电性和亲水性于一身,在能源存储和环境催化等领域展示出了广阔的应用前景。本研究以Ti基二维过渡金属碳化物(Ti-MXene)材料为前驱体,从元素掺杂和缺陷调控角度理性设计固氮光催化剂。为固氮光催化剂的设计提供了可借鉴的新思路。本论文主要研究内容如下:(1)MXene不仅具有超低的功函数和带负电的表面,而且兼具高导电性、亲水性表面、良好稳定性、优异电化学活性和易于功能修饰等特点,使其成为潜在的催化和载体材料。以Ti3C2为前驱体,利用MXene的钛源在MXene表面原位生长TiO2,然后采用浸渍法负载了过渡金属元素Co,形成了 MXene/TiO2/Co三元催化剂。实验结果表明,手风琴状形貌的MXene和其表面原位生长的TiO2形成了 MXene@TiO2异质结,促进了光生载流子的分离,同时MXene良好的导电性增加了光生载流子的传输,从而降低了载流子的复合。Co修饰调节了催化剂对反应物N2和产物NH3之间的化学吸附平衡,实现了高效的光催化固氮。在纯水中,N2气氛下无需空穴牺牲剂的情况下,MXene/TiO2/Co-0.5%的固氮性能提高到 110.45 μmol·g-1h-1,分别是 MXene,MXene/TiO2和TiO2固氮性能的5倍,1.4倍和3.5倍。(2)金属有机框架(Metal-organic Frameworks,MOFs)是一类以无机金属离子与有机配体通过自组装过程形成的具有周期性网络结构的晶体材料,利用低密度、高比表面积、结构和功能可设计、孔道尺寸可调等特点,MOFs有望成为新一代的光催化材料。然而MOFs材料导电性较差,因此将其与MXene复合可以实现较快的光生电子的分离。本章通过水热合成和混合浸渍制备了一种锆基MOFs(UiO-66)/MXene复合材料。研究表明,光照辐射激活后,在UiO-66材料中引入大量的簇缺陷和配体缺陷,缺陷的引入使催化剂具有全光谱固氮的能力,尤其是可见光波段固氮性能有明显提高,分别达到256μmol.g-1h-1和95 μmol·g-1h-1左右,其中可见光波段的固氮产率优于绝大多数已报道的催化剂。通过合成后配体交换法(PSE)过程研究了光照产生不同缺陷类型对固氮性能提高的影响。研究表明金属有机框架(MOFs)本征缺陷诱发的不饱和配位金属催化活性中心在其中发挥了重要作用,MXene的复合增加了材料光生电子的有效分离,降低了电子和空穴的复合几率,其固氮性能从190μmol·g-1h-1进一步提高到210 μmol·g-1h-1。