微波辅助快速制备2D/1D Znln2S4/TiO2 S型异质结及其光催化制氢性能

摘要

能源危机的威胁在过去二十年里引起了全球性广泛关注.由于地球上具有丰富的太阳能和水资源,光催化分解水制氢被认为是获取绿色能源的一种有效途径.迄今为止,许多光催化剂已经得到了深入研究.其中,TiO2以其无毒、化学稳定性高、形态可控、光催化活性强等优点得到了广泛的关注.特别是1D结构的TiO2纳米纤维具有独特的一维电子转移轨迹,较大的吸附能力和较高的光生电子-空穴对(e--h+)传输速率等优点在光催化领域更是受到研究人员的青睐.尽管如此,TiO2仍存在带隙大、光生电子-空穴对复合速率快等缺点,使其在制氢反应(HER)中效率不高.因此,构建高性能、经济、环保的光催化剂是实现太阳能高效转化的一大挑战.最近,各种提高TiO2光催化活性的策略得到了广泛研究,包括与窄带隙半导体(如Znln2S4)的耦合等.另外,微波辅助合成技术以其成本低、设备简单、环境无污染、反应速度快等优点,已成为制备光催化半导体材料的一种重要手段.在本工作中,为解决TiO2带隙宽(约3.2 eV)和电子-空穴对复合速率快等缺点,通过微波辅助合成技术快速地将2D结构的Znln2S4纳米片原位组装在TiO2纳米纤维上,构筑2D/1D Znln2S4/TiO2 S型异质结.通过调节Znln2S4前驱体与TiO2 NFs的摩尔比,可以很容易地控制TiO2纳米纤维上Znln2S4负载量.实验结果表明:相对于纯Znln2S4和TiO2而言,Znln2S4/TiO2异质结光催化剂在太阳光照射下的光吸收和制氢性能得到明显提高.在优化条件下,样品ZT-0.5 (Znln2S4与TiO2的摩尔比为0.5)具有最佳制氢性能,达到8774 μmol·g-1·h-1,分别是纯TiO2纳米纤维(3312 μmol·g-1·h-1)和Znln2S4 (3114 μmol·g-1.h-1)纳米片的2.7倍和2.8倍.基于实验结果,我们提出来一种在Znln2S4和TiO2间形成的S型异质结机理,并很好地阐释了Znln2S4/TiO2复合材料光催化制氢活性增强的原因.