多孔二氧化钛基复合材料的制备及光电催化性能研究

摘要

光催化和光电催化水解技术被认为是最有希望的利用太阳能制氢的方法，吸引了越来越多的研究兴趣。自1972年，日本Fujishima 和Honda报道了利用TiO2材料作为光电极通过光电解水成功制备了氢气。直到现在，TiO2仍然被认为是高效的光催化剂和光电极材料。虽然对 TiO2的设计、改性投入了大量的研究，但是目前 TiO2的光催化和光电催化效率还是比较低。TiO2带隙较宽 (Eg =3.0-3.2 eV)，只能吸收太阳光中紫外光部分，然而紫外光只占了太阳光总量的5%，此外，光生电子和空穴对极易发生复合，导致光催化和光电催化效率降低，限制了 TiO2在光催化和光电催化领域的应用。基于此，我们利用溶胶凝胶法设计合成了多孔 TiO2纳米材料，并原位复合带隙较窄的半导体，得到了TiO2?硫化物/硒化物等一系列的多孔纳米复合材料。调节多金属化合物的组成，改变带隙宽度，以拓宽光响应范围；调节价带及导带位置，以有效匹配光分解水产氢电极电势。其形貌、比表面积及缺陷的可控性，可有效的产生催化活性中心和光生载流子的迁移路径，多孔结构扩大了催化材料的比表面积，增加了电子转移通道，提供了表面反应活性位点，促进了光生电荷的有效分离，提高了光催化和光电催化产氢的活性。具体研究工作如下： （1）以自制的聚苯乙烯微球（PS）为模板，利用溶胶凝胶结合溶剂热法成功制备了 CdSe-TiO2多孔光催化剂，其中通过动力学控制原位硒化 CdO 得到不同形貌的CdSe，有片状的，棱柱状，棱锥状。复合 CdSe 以后，光响应范围明显变宽，片状的CdSe 表面能最高，反应活性最好，有利于光生电子由CdSe的表面迁移到TiO2表面，可见光照射下光分解水的性能最佳，达到3650μmol·h-1·g-1。 （2）在（1）的基础上，引入了助催化剂片状的MoS2到 CdSe-TiO2体系中，MoS2-CdSe-TiO2作为光电阳极，Pt 片作为对电极，研究了一系列不同摩尔含量的MoS2对整个体系的光电催化产氢性能的影响。MoS2片和 CdSe粒子原位生长在 TiO2孔结构内，三者之间紧密接触，既增加了对可见光的吸收，又有利于光生电子和空穴的分离，有效的抑制了光腐蚀。实验得出 5%MoS2-10% CdSe-TiO2在电压相对于RHE为1V时表现出优越的光电化学性能，光电流密度达到了3.43 mA·cm?2。 （3）首先用溶胶凝胶法合成出CuO-CdO-TiO2中间体,再利用水热法原位 硫化CuO和CdO，合成出CuS和CdS共复合的TiO2多孔光电催化材料,改变CuS的含量，在模拟太阳光照射下，实验得出7%CuS?5% CdS?TiO2复合材料的光电化学性能最好，比纯TiO2性能提高了2.7倍。

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