羧基功能化石墨烯增强TiO2光催化产氢性能

摘要

利用半导体光催化剂(CdS、g-C3N4、 TiO2等)产氢是将太阳能转换为氢能以满足未来能源需求的前瞻性策略之一.在众多光催化剂中,TiO2因其合适的还原电位和出色的化学稳定性而备受关注.然而,TiO2受光激发产生的电子和空穴容易发生猝灭而表现出有限的光催化性能.由于具备优异的导电性和稳定性,石墨烯可以作为一种有效的电子助剂加速光生电子的传输,进而提高TiO2的产氢性能.但是,在光催化反应中,除了光生电子的快速转移外,石墨烯表面的界面产氢反应也非常重要.因此,有必要进一步优化石墨烯的微观结构(功能化石墨烯),以提高石墨烯基TiO2光催化剂的产氢性能.通常,石墨烯的功能化是一个可以在石墨烯表面上引入产氢活性位点的有效策略.与非共价功能化(例如在石墨烯表面上加载Pt,MoSx和CoSx)相比,石墨烯的共价功能化可以通过化学反应将产氢活性位点与石墨烯表面的官能团相结合,并形成强相互作用,有利于界面的产氢反应.本文将开环和酯化反应制备的羧基功能化石墨烯(rGO-COOH)成功地通过超声辅助自组装法修饰TiO2得到高活性的TiO2/rGO-COOH光催化剂.傅立叶变换红外(FTIR)光谱显著增强的—COOH官能团特征峰、X射线光电子能谱(XPS)中的峰面积变化和热重(TG)曲线的质量变化证实了GO向rGO-COOH的成功转变.X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、XPS和紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)等一系列表征可证明TiO2/rGO-COOH光催化剂的成功合成.光催化产氢测试结果表明TiO2/rGO-COOH样品表现出较高的产氢活性(254.2 μmol.h-1.g-1),分别是TiO2/GO和TiO2的2.06和4.48倍.光催化活性提高可归因于羧基功能化石墨烯中具有优异亲核性的羧基可以富集氢离子,并作为有效的产氢活性位点,显著地提高TiO2的界面产氢反应速率.这项研究为我们在光催化产氢领域中开发高活性石墨烯负载的光催化剂提供了新的思路.