当代人们对全球快速增长的能源需求和环境污染问题日益关注。考虑到可持续性、丰富性及对环境友好等特点,太阳能的有效利用及转换是解决目前能源和环境问题最具前景的途径之一。在利用太阳能的各种方法中,光催化技术作为一种条件温和、能耗低、环境友好的污染治理新技术,其核心是光催化材料。然而,单组分半导体光催化剂大多存在光利用率低、光生载流子复合速率快、易团聚、吸附性能差等缺点。探寻高效且廉价的非贵金属助催化剂是改善半导体光催化剂性能的有效策略之一。由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成的MXene材料是一类具有类石墨烯结构的新型二维层状化合物。该类材料具有良好的导电性,能够满足光生载流子的快速转移;其表面亲水性有利于与大部分半导体光催化剂结合并产生较强的相互作用;表面带负电荷有利于对重金属离子的吸附;丰富的暴露金属位点为催化反应提供了活性位点。上述优点使其成为半导体光催化剂的理想的助催化剂。因此,本文基于碳化钛(Ti3C2MXene)材料,构建了二维(2D),二维/二维(2D/2D)和三维(3D)中空等不同形貌的异质结光催化剂,用于可见光催化去除环境废水中的有机污染物苯酚和重金属离子Cr(Ⅵ)。(1)以新型二维层状过渡金属碳化物Ti3C2 MXene作为碳骨架和同源的钛源,基于Ti3C2 MXene表面带负电荷以及易于被氧化的性质,通过静电作用将其与含氮阳离子化合物组装,然后原位氧化转化为二维层状氮掺杂碳基二氧化钛纳米晶体异质结(N-TiO2@C)。N掺杂的TiO2纳米晶体在价带产生N2p能级,从而获得可见光活性;N元素掺杂改善碳基底的表面官能团度,使原位形成的碳基底具有优异的电子转移性能,进而协同提高了 TiO2纳米晶体的光催化活性。在模拟太阳光照射下N-TiO2@C表现出较高的苯酚降解效率,一级动力学常数达1.646×10-2min-1,此外,XRD、SEM和循环实验均说明异质结具有良好的稳定性。(2)从Ti3C2 MXene的二维层状形貌特点出发,使用简单的静电自组装方法在Ti3C2MXene纳米片表面回流原位生长可见光响应的硫化铟纳米片(In2S3Nanoflakes),制备了 2D/2D Ti3C2@In2S3异质结。2D/2D异质结的短界面距离有效促进In2S3和Ti3C2之间的电荷转移。此外,丰富的孔结构和比表面积确保大量催化位点的存在,从而显著提高对Cr(VI)的吸附能力。当然,合适的能带位置也起着重要的作用。Ti3C2@In2S3异质结在可见光下照射6分钟内即可完全将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)。超高的一级动力学速率常数(0.730 min-1)约为原始In2S3的3.4倍,这是目前所报道最快的动力学速率之一。同样地,稳定性测试证明Ti3C2@In2S3异质结拥有优异的催化再循环性能。(3)进一步将二维Ti3C2 MXene通过模板法合成了具有三维中空结构和富锌缺陷的3D/2D异质结。首先以PMMA模板获得PMMA@Ti3C2杂化球,然后使用简单的溶剂热生长可见光响应的富锌缺陷(VZn-Rich)硫化铟锌(ZnIn2S4)纳米片,最后在氩气(Ar)中焙烧去除模板得到新型三维中空碳化钛/富锌缺陷硫化铟锌纳米片异质结(Ti3C2@ZnIn2S4)。该异质结实现了有效的光收集、促进光生载流子分离和传输以及表面反应的空间分离。此外,光致发光光谱(PL)表示,VZn改变了光生载流子的复合路径,延长光生载流子的寿命,进一步增强光催化活性。可见光照射下Ti3C2@ZnIn2S4异质结表现出了高效还原去除Cr(Ⅵ)性能,其一级动力学常数为1.8×10-2 min-1。MXene材料可以快速接受半导体光催化剂的光生载流子,并为光催化反应提供大量的活性位点,可作为半导体光催化剂的高效助催化剂。本文的工作为设计其它MXene基异质结光催化剂并应用于能源需求和环境污染净化问题提供了新的思路。