DOI: 10.1016/j.cej.2023.142798

连续的TiO₂纳米纤维具有高光化学活性、可调活性位点、易于回收等优点，在催化领域引起了极大的兴趣。然而，由于陶瓷TiO2的固有脆性，它们很容易断裂。在此，本文报道了一种Mxene插层增韧策略，通过溶胶-凝胶静电纺丝法和低温煅烧制备柔性TiO₂ NF膜。在TiO₂ NFs中原位掺杂MXene（Ti₃C₂T_x）纳米片减小了晶粒尺寸，并引入了2D有缺陷的MXene衍生TiO₂平面，前者创造了弯曲的晶界，可以减少裂纹的扩展，而后者产生了弹性砖-砂浆结构的异型连接，可以吸收更多的外功。双重功能显著提高了TiO₂ NFs的断裂强度，从0.06MPa提高至0.16MPa。令人着迷的是，这种策略降低了TiO₂的带隙，以及更有效地传导光生载流子。在不使用牺牲剂和光敏剂的情况下，光催化CO₂还原为CH₄的生成速率达到31.6μmol/g/h。本研究报道的简单策略同时提高了TiO₂纳米纤维的柔性和光催化效率。

图1.用于光催化CO₂还原的柔性TiO₂ NFs的制备。（a）使用MXene辅助溶胶-凝胶静电纺丝制备具有砖-砂浆结构的柔韧性M-TiO₂纳米颗粒的步骤。（b-c）在不使用牺牲剂和光敏剂的情况下，使用有缺陷的M-TiO₂ NF膜来提高光催化还原CO₂的效率的图示。

图2.材料表征。（a）手风琴状Ti₃C₂T_x、具有廷德尔效应的MXene分散体和单层Ti₃C₂T_x的SEM、光学和TEM图像。（b）凝胶纤维膜和（c）柔性M-TiO₂ NF膜的SEM和光学图像。（d）M-TiO₂ NFs在不同温度下的TG和DTG图。（e）M-TiO₂ NFs在不同温度下的FTIR和（f）XRD光谱。（g）M-TiO₂ NFs在不同温度下的（101）和（004）晶面图。（h）TiO₂和M-TiO₂ NFs在500℃下的拉曼光谱和（i）XRD光谱。（j）M-TiO₂ NFs在不同温度下的晶体尺寸图。TiO₂和M-TiO₂ NFs在不同应变下的（k）拉伸应力和（l）韧性的DMA测试。

图3.M-TiO₂ NF膜的柔性和韧性机理。单根（a）TiO₂ NF和（b）M-TiO2 NF的TEM图像。（c）TiO₂ NF的高分辨率TEM图像，仅显示一个晶面，（d）M-TiO₂ NF的高分辨率TEM图像，显示七个晶面。（h）柔韧性M-TiO₂ NF膜的理论模型。

图4.基于柔性M-TiO₂ NF膜光催化还原CO₂。（a）TiO₂和M-TiO₂ NF膜的O1s XPS光谱。（b）TiO₂和M-TiO2 NF膜的紫外-可见反射光谱。（c）TiO₂和M-TiO₂ NF膜的Mott-Schottky图。（d）TiO₂和M-TiO₂ NF膜的电子能带。（e）TiO₂和M-TiO₂ NF膜的氮气吸附-解吸图。（f）TiO₂和M-TiO₂ NF膜的EIS图。（g）Ti_O2和（h）M-TiO₂ NF膜的气体量图。（i）TiO₂和M-TiO₂ NF膜的气体选择性图。