氨的出现为人类发展做出了重大贡献,其在农业氮肥、化工产品和药品制备等重要领域均有大量的应用。N2属于非极性分子,其氮氮三键(N≡N)解离能很高,因此,研究如何高效利用N2合成氨意义重大。目前,工业固氮仍以Haber-Bosch法为主,利用Fe/Ru基材料作为催化剂,在高温高压下以氮气和氢气为原料来合成氨。虽然这种合成氨的方法自发现以来解决了人们很多生存问题,但也存在很大的缺点。工业固氮最主要的问题是能耗过大,并排放大量的温室气体。为了解决这个问题,近些年出现了一些绿色固氮方法,包括光催化固氮和电催化固氮。光催化固氮是以半导体材料为催化剂,太阳能驱动氮气和水合成氨,耗能少且清洁无污染。但目前光催化固氮效率远低于工业固氮效率,研究光催化固氮材料以及催化机理以提高其固氮效率是光催化固氮的重点。因此,本论文旨在从氮气还原过程基本步骤出发,改性二氧化钛光催化剂提高材料活化氮气能力以及材料催化过程中光生电子转移效率,以期望提高二氧化钛的固氮效率,能进一步在光催化机理问题上做深入的探索,最终为设计高效固氮光催化剂提供新思路。具体研究内容如下:1、为了提高TiO2在纯水中的光催化固氮性能,实验通过负载过渡金属钴的方法来提高TiO2对氮气的活化能力和电子转移效率。本实验证实了金红石相TiO2固氮性能高于锐钛矿相TiO2。在此基础上采用两步法来合成Co负载的TiO2制备,催化剂表面氧空位(Ovac)具有很大的氮气吸附和活化潜力,但如何在引入氧空位下不改变催化剂整体性能是一大挑战。此外,Co的负载不仅对氮气的吸附活化有积极的促进作用,也有利于增强紫外可见光吸收和电子传输效率。经过光催化固氮实验研究表明,光照2 h后Co负载的TiO2光催化合成氨产率达到了 35.19μmolg-1h-1,相比纯TiO2合成氨产率12.64μmolg-1h-1提升了近3倍。说明负载过渡金属钴不仅提高了对光电子的利用效率,而且促进了水的分解为固氮提供了大量的质子,提高了合成氨产率。本论文实验是在纯水中测试其性能,与文献对比发现,在纯水中,合成氨的产率高于很多材料(FeAl@3DGraphene、Au/(BiO)2CO3、FeMoS-Chalcogels)。实验结果表明,Co 负载后的Ti02合成氨效率有了很大的提升,经过多次循环测试,能够保持良好的光催化性能。2、通过强酸刻蚀前驱体MAX(Ti3AlC2)的方法将Al层刻蚀掉,制备得到二维材料MXene(Ti3C2Tx)。MXene材料具有良好电子传输效率,有利于氮气还原过程中的电子传递,且钛的能带和氧空位都有利于吸附和解离N2。因此,将二维材料MXene在管式炉中通氩气气氛下进行不同温度(200℃、400℃、600℃、800℃)的烧结,在MXene上原位长出TiO2,形成MXene@TiO2光催化剂。由于TiO2具有强的光吸收,可将光能转换为电子传输至MXene后还原氮气生成氨。固氮实验表明在空气和氮气气氛下光照2h的合成氨产率有明显的提升,空气气氛下固氮产率为25.39 μmol g-1 h-1,在循环五次后固氮性能保持率为88%,在0.05 M硫酸(H2SO4)溶液和可见光下氨产率分别为45.17 μmol g-1 h1和7.61 μmol g-1 h-1。实验结果表明通过烧结MXene后在二维材料表面生成TiO2颗粒,与未烧结前MXene合成氨产率3.59μmol g-1 h-1相比,烧结后的样合成氨产率提升近6.5倍左右。