利用graphene/TiO2光催化对苯二甲酸制备废水产氢研究

摘要

在能源需求日益扩大的今天,开发环境友好的新能源已经成为人们关注的焦点.氢能源燃烧热值高,相较于化石能源而言燃烧产物(H2O)无二次污染的风险,是极具潜力的替代能源.自1972年Fujishima应用TiO2电极成功实现光解水制氢,利用光催化分解水产氢技术得到了迅速的发展.在光催化产氢反应中,光催化剂吸收高于其能带间隙的能量后产生电子和电洞的分离,从而有效推动还原与氧化反应的发生.但是产生的电子和电洞会因复合而湮灭,导致产氢效率低下.为避免因电子电洞湮灭造成的负作用,产氢反应常采用小分子有机物作为电洞捕捉剂,使得电洞产生不可逆的消耗,从而推动还原反应的发生,提高产氢效率.但人为添加电子提供者,会提高制氢成本.本研究以自制石墨烯负载TiO2为光催化剂，以对苯二甲酸废水制备过程产生废水作为牺牲试剂进行催化产氢研究。针对废水不同组分分别进行产氢效率研究，讨论各组分对产氢效率贡献度。结合反应前后催化剂变化与废水组成变化，深入研究反应机理。研究结果显示，经GC-MS，IC，及TOC检测的废水主要成分如表一所示。利用XPS、TEM等对自制光催化剂进行特性表征结果显示，利用水热合成法能够有效将氧化石墨进行还原，制备出具有片状结构的石墨烯。TiO2(10-20nm)均匀分散在石墨烯片层结构上。废水产氢的实验结论显示，不同牺牲剂对于产氢效率会产生不同程度的影响。相较于废水中有机成分而言，金属和金属离子(Fe2+和Fe)成分更容易氧化产生自由电子，进而促进产氢。而反应后催化剂的XPS分析结果也显示催化剂表面有少量Fe3+存在，其应为Fe2+和Fe在催化剂表面氧化后产物。本研究最大废水产氢率可达1.8mmolg-1h-1。