氧化铟(In2O3)基纳米复合材料的制备及其光催化分解水制氢耦合有机污染物降解性能研究

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工业的发展和人口的增长,导致能源危机与环境污染问题日益加重。大力开发可再生新能源,从源头上解决能源危机与环境污染问题引起人们广泛关注。氢气(H2)是一种高效、清洁的“无碳”能源,相比于传统的化石燃料,具有非常高的能量密度,已被认为是经济和社会可持续发展的理想候选燃料。光催化分解水制氢耦合有机污染物降解技术可以将有机污染物作为牺牲剂,进而促进产氢过程,在解决环境污染问题的同时可以实现氢能源的制取。在众多的半导体材料中,氧化铟(In2O3)半导体材料具有合适的能带结构、优良的光化学稳定性、低毒性等优点,在光催化领域被广泛研究。然而,单一的In2O3光催化活性受到严重限制,主要原因是光诱导电子空穴对的分离与转移速率较低。助催化剂可以提供活性位点,大大加快界面电荷传输,是修饰In2O3提高其光催化活性的常用策略。目前,以铂(Pt)、金(Au)和银(Ag)等贵金属作为助催化剂改性In2O3已引起人们的广泛关注。然而,这些贵金属价格昂贵且天然稀缺,不适合在规模化生产中大量推广使用。因此,寻找廉价、低成本的非贵金属助催化剂来提高In2O3的光催化反应活性具有非常重要的意义。本论文分别采用两种不同非贵金属助催化剂修饰In2O3,增加催化剂的光生电荷分离与迁移速率,同时提高光催化产氢耦合有机污染物降解性能。并采用一系列表征,对合成光催化剂的形貌、微观结构、成分、比表面积以及光电性能进行研究。然后,利用光催化分解水制氢耦合有机污染物降解实验,考察复合材料的光催化活性与稳定性,同时探讨了光催化反应机理。本论文具体研究内容如下:(1)采用简单的水热方法合成了新型零维/三维(0D/3D)磷化镍(Ni2P)/In2O3纳米复合材料。通过光催化分解水制氢耦合罗丹明B(Rh B)降解实验,研究了Ni2P/In2O3纳米复合材料的光催化活性。通过各种物理化学表征手段发现,0D Ni2P纳米粒子成功负载在了3D In2O3纳米立方体表面,同时,与纯相In2O3相比,所合成的纳米复合材料有更快的光生电荷迁移和分离速率以及延长的光电荷寿命。光催化实验表明,所形成的纳米复合材料都能提高光催化制氢耦合Rh B降解性能,其中,当7 wt%Ni2P纳米粒子负载In2O3(7-Ni2P/In2O3)后,所得到的纳米复合材料具备最佳的光催化活性,产氢速率和Rh B的降解率分别达到1.4μmol g-1h-1和16.1%,比纯In2O3高10.6倍和1.6倍。此外,在长时间光照条件下,7-Ni2P/In2O3光催化剂表现出良好的光稳定性,同时在相同的实验条件下其光催化活性也优于1 wt%Pt负载的In2O3。(2)采用简单的水热法成功合成了新型二维/三维(2D/3D)二硫化钼(MoS2)/In2O3纳米复合材料。通过光催化分解水产氢耦合Rh B降解实验,评估了MoS2/In2O3纳米复合材料的光催化性能。通过各种物理化学表征技术发现,2D MoS2纳米片成功负载在了3D In2O3纳米立方体表面,同时,与纯In2O3相比,所合成的纳米复合材料具有更快的光生电荷分离速率、更大的比表面积以及降低的光电荷寿命。光催化实验表明,所合成的纳米复合材料都能提高光催化制氢耦合Rh B降解性能,其中,当10 wt%MoS2纳米片负载In2O3(10-MoS2/In2O3)后,所得到的纳米复合材料展示出最佳的光催化制氢耦合Rh B降解性能,产氢速率为15.5μmol g-1h-1,比纯In2O3高77.5倍。10-MoS2/In2O3的Rh B光降解效率接近100%,总有机碳去除率(ηTOC)比单一In2O3高12.1倍。此外,循环实验结果表明10-MoS2/In2O3光催化剂表现出良好的光稳定性,同时在相同的实验条件下,其光催化活性远优于1 wt%Pt和1 wt%Au负载的In2O3光催化剂。
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