构建0D/1D Ag_(3)PO_(4)/TiO_(2) S型异质结以实现高效光降解和析氧

摘要

化石燃料的大量使用使人类面临前所未有的能源枯竭与环境污染问题,因此,寻求和发展可持续能源与技术迫在眉睫.光催化过程利用催化剂捕获光子将太阳能转化成各种能源与化学品,是一种极具潜力的绿色可持续技术.理性设计高效的捕光材料与催化体系是实现高效太阳能利用与转化的有效策略.而光催化剂的效率主要受制于电荷分离效率低、氧化还原能力不足等缺陷.在众多提高光催化效率的策略中,异质结光催化剂的构建是解决以上问题的有效途径.与传统的Ⅱ型异质结光催化剂相比,阶梯(S)型异质结在氧化型和还原型半导体之间构筑了内建电场,动力学上加速了光生载流子的分离、迁移并且保留催化剂最高的氧化还原能力,成为一类极具应用潜力的异质结催化剂.本文通过简单的水热法将Ag_(3)PO_(4)纳米颗粒原位生长在TiO_(2)纤维表面,制备了0D/1D Ag_(3)PO_(4)/TiO_(2) S型异质结.两者之间通过构筑紧密的界面接触有效降低了光生载流子的传输障碍,促进了界面电荷转移,从而在光催化产氧和光分解罗丹明B、苯酚和盐酸四环素方面表现出优异的活性和光稳定性.催化体系的一系列表征结果均验证了Ag_(3)PO_(4)/TiO_(2)复合材料的成功制备.物相表征表明,均匀负载在TiO_(2) NFs表面的Ag_(3)PO_(4) NPs颗粒尺寸更小,这是由于TiO_(2)纳米纤维(NFs)中丰富的羟基使得二氧化钛纤维具备显著的限域效应,可以有效地防止Ag_(3)PO_(4)颗粒的聚集.此外,Ag_(3)PO_(4)/TiO_(2)的比表面积远大于Ag_(3)PO_(4),比表面积的增加有利于提供更多的活性位点,从而提高光催化活性.光电测试分析表明,Ag_(3)PO_(4)/TiO_(2)具有较高的载流子分离和迁移效率;功函数的密度泛函理论计算结合XPS数据证实了内建电场的建立及其从TiO_(2)指向Ag_(3)PO_(4)的方向.上述实验和理论计算结果都确定了Ag_(3)PO_(4)/TiO_(2)在光照下的S型电荷转移路径.循环试验及反应前后催化剂的XRD表征结果都验证了该S型异质结具有较好的氧化还原能力和光催化稳定性.总之,0D/1D Ag_(3)PO_(4)/TiO_(2) S型异质结具有较高的光催化产氧活性(726 mol/g/h)和稳定性,对RhB(100%),苯酚(60%)和TC(100%)等有机污染物具有良好的降解能力.复合材料活性的提高与Ag_(3)PO_(4) NPs和TiO_(2) NFs之间紧密的界面接触以及丰富的活性位点密切相关.综上,本文为构建0D/1D S型异质结光催化剂提供了一种有前景的策略.