介晶TiO2基微纳结构材料的调控合成及其光催化产氢性能研究

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为推进太阳能分解水制氢技术走向应用,构建高效的光催化产氢体系尤为重要。Ti O2因其在光照下优异的反应性和稳定性、低毒性以及价格低廉等优点而备受研究者们关注。然而其带隙宽难以被可见光激发、光生载流子复合严重、过电位高等缺陷限制了Ti O2的进一步发展应用。与传统Ti O2材料相比,Ti O2介晶作为一种新型多孔材料,既保留了传统Ti O2的优势,又兼具介晶结构的良好晶面取向和高比表面积,在光催化领域更具研究潜力。在半导体材料上负载金属助催化剂是提升其光催化性能的重要手段,而双金属助催化剂具有更出色的协同效应,不仅能够降低制备成本还具有比单一金属助催化剂更优异的光催化产氢活性,近来已备受关注。然而大部分双金属使用的同时沉积方法具有随机性,金属与金属之间通常未形成紧密的界面接触,本文使用简单的电流置换法在Ti O2介晶上分步沉积了双金属助催化剂,并探究了其光催化产氢机理。主要研究内容如下:(1)以聚乙二醇400、H2O、Ti Cl3为反应物,采用溶剂热法制备了具有纺锤体形貌的锐钛矿Ti O2介晶,通过一系列表征探究了其形貌及结构特征。为进一步提高其催化活性,使用化学还原法和电流置换法分步沉积了Au-Pt双金属助催化剂,XPS和TEM Mapping表征结果证明了双金属结构的成功负载。探究了Au-Pt的最佳负载比例与光催化产氢性能规律,最高产氢速率达21.0 mmol/g/h,结果表明Au-Pt双金属具有比单金属更卓越的催化活性,且较同时沉积法制备的样品性能更高,说明了电流置换法制备的双金属结构的优越性。接着通过一系列光电化学表征探究并分析了其光催化产氢机理。(2)以纺锤形锐钛矿Ti O2介晶为载体,为进一步提高其光生载流子的分离和传输效率,采用化学还原法和电流置换法分步沉积了具有高功函数的Pt-Pd双金属,通过一系列表征证明了Pt-Pd的成功负载,并探究了Pt-Pd的最佳负载比例和光催化活性,最高产氢速率达24.1 mmol/g/h,光电化学测试表明Pt-Pd/Ti O2具有高效电荷传输和分离效率,有效降低了Ti O2介晶中光生电子和空穴的复合率,并探讨了其光催化机理。
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