敏化剂改性石墨烯/二氧化钛杂化材料的制备及其催化的光解水制氢

摘要

近些年来,随着工业生产和科学技术的持续发展,人们对能源的要求也越来越高,开发新型绿色能源尤为重要。氢能由于其特有的诸多优点被称为未来最具优势的绿色能源,同时,半导体也被誉为光解水制氢的重要催化剂之一。
　　 二氧化钛具有成本低、无污染等诸多优点,但由于其带隙较宽(3.2eV),在光解水制氢的过程中存在以下不足:1.可吸收光的光谱范围过窄,主要集中于紫外光区;2.电子-空穴对的分离时间短,复合率高。这两点不足极大地限制了二氧化钛在光催化领域的使用。
　　 本实验选用石墨烯和染料对其改性。选用石墨烯的原因是,石墨烯电导率高(1000cm-2V-1s-1),方便导出电子,同时又为层片状结构,可以负载二氧化钛纳米颗粒。选用染料做敏化剂的目的是通过染料的作用,使二氧化钛和石墨烯更好地结合,同时将二氧化钛的吸收光谱范围拓宽至可见光区。论文中使用的二氧化钛有两种:水热法制备的介孔纳米二氧化钛和商用P25粉末。选用的敏化剂为芘丁酸、1-氨基-2-萘酚-4-磺酸、亚砜化酞菁铜和茜素红,得到杂化材料:PB-G-TiO2、G-SO3H-TiO2、CuPcSOCl-G-P25以及AR-G-P25。
　　 采用TEM、UV-vis、XRD以及GC(气相色谱仪)对得到的杂化材料进行表征。TEM的表征结果表明,通过敏化剂修饰后,二氧化钛颗粒较均匀地分散于石墨烯层片表面,二者结合较好。通过紫外-可见光吸收谱图,PB-G-TiO2和G-SO3H-TiO2在紫外光区吸收良好,在可见光区吸收较差,但是通过茜素红以及亚砜化酞菁铜修饰后的杂化材料在可见光区也有较强的吸收。通过气相色谱仪对不同杂化材料在相同条件下的产氢量进行对比,在紫外光照射下,四种杂化材料的产氢量较纯二氧化钛均得到不同程度的提高,其中,CuPcSOCl-G-P25和AR-G-P25在可见光照射下的产氢量也得到大幅改善,茜素红改性的杂化材料在可见光下的产氢量最高,达到207.5μmol/(5h·g)。