二氧化钛表面异质结的构建及其光催化性能研究

【摘要】：随着光催化技术的发展,光催化技术已经被越来越多的人认可并用于去解决能源危机和环境污染的问题。改善光催化技术的核心在于提升光催化剂的光催化活性。相较于其他光催化半导体而言,TiO_2因其具有无毒、稳定、高耐腐蚀性、生物相容性、廉价等优点,使其在光催化应用中得到更为广泛的应用。然而,采用TiO_2作为催化剂往往会因为光生电子-空穴复合较快以及对可见光没有响应(因其禁带宽度较宽,3.2eV),导致量子效率较低,表面异质结的构建是用来解决上述问题的重要手段之一。本研究通过从维度、晶面以及能级三个角度出发,设计了三种新型TiO_2表面异质结材料,通过SEM、TEM、XRD、Raman、Uv-Vis和XPS分别对材料的微观形态、晶格结构、晶型、质构特性、带隙以及材料表面化学状态等方面进行了表征,并通过光催化降解、光催化制氢以及光电流对材料的光催化性能进行了测试,具体研究内容归纳如下:(1)材料维度角度:采用水热法通过将零维(0D)的TiO_2纳米颗粒(NP)负载到一维(1D)TiO_2纳米线(NW)表面制备了一种新型的0D/1D表面异质结,制备的NP与NW都同是锐钛矿型TiO_2,并且表面都暴露了{101}晶面,这排除了不同晶型与不同晶面导致材料费米能级不同的可能,材料的不同维度以及紧密接触是构建0D/1D表面异质结的主要原因。制备异质结材料相较于纯的NP和NW具有更好的光催化性能,其中NP与NW的比例是影响0D/1D异质结性能的重要因素,当NP与NW的质量比为50:50时,异质结的光催化性能表现最佳,主要表现为优异的降解循环性能(6次循环降解后降解率仍然能达到93%),以及用于降解罗丹明B(降解速度是NW的两倍)和光催化制氢(光催化产氢速率是NW的5倍)都表现出更高的活性。(2)材料晶面角度:在维度基础上,进一步考虑了不同晶面对异质结材料性能的影响。采用水热法将TiO_2纳米颗粒(NP)负载到TiO_2纳米棒(NR)表面制备了一种新型的{101}/{100}表面异质结,研究结果表明制备的NP表面暴露的是能量较低的{101}晶面,NR暴露的是能量相对较高的{100}晶面,虽然NP与NR都是锐钛矿型TiO_2,但是不同维度以及不同晶面的差异导致两者的费米能级却出现明显的不同。制备的异质结材料相较于纯的NP和NR具有更好的光催化性能,NP与NR的比例是影响{101}/{100}表面异质结性能的重要因素,当NP与NR的质量比为50:50时,异质结的性能表现最佳。主要表现为优异的降解循环性能(6次循环降解后降解率仍然能达到99%),以及用于多种有机污染物,例如甲基橙、亚甲基蓝、罗丹明B、孔雀石绿、双酚A(其中对于甲基橙降解速度是NR的4倍)和光催化制氢(光催化产氢速率是NR的13倍)都表现出更高的活性。值得注意的是,结合了维度与晶面两个因素的异质结相较于方案一中的维度异质结在整体催化性能上有了很大提高。(3)材料能级角度:在维度基础上,考虑材料自身能级不同对异质结材料性能的影响,采用沉淀沉积法将Au与Cu逐步沉积在TiO_2纳米片(TiNs)表面,制备了Au-Cu/TiNs表面异质结。研究结果表明异质结的构建一方面增强复合样品对可见光的吸收,另外一方面较低费米能级的Au-Cu合金会与较高费米能级的TiNs之间形成肖特基势垒,抑制载流子的复合,从而提高光催化活性。Au与Cu质量比、沉积顺序以及沉积方法都是影响Au-Cu/TiNs异质结样品性能的重要因素。当Au与Cu的比例为1:1时,Au-Cu/TiNs异质结样品的光催化制氢性能表现最佳(TiNs样品的9倍、Au/TiNs的1.47倍、Cu/TiNs的1.75倍)。