以Ti3C2 MXene为前驱体制备TiO2基复合光催化剂及其产氢性能研究

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二维材料由于其优异的物理和化学性能一度成为光催化和电催化领域的热门材料。Ti3C2MXene是继石墨烯之后的又一新型二维材料,独特的手风琴状结构为物理吸附和化学反应提供了足够的表面积。Ti3C2在高温下能够被氧化生成具有光催化产氢性能的C-Ti O2。而且煅烧后保留生成的C层为光催化反应增加了Ti O2表面光生电子的传输途径。进一步与Zn0.5Cd0.5S构筑成C-Ti O2/Zn0.5Cd0.5S异质结,提升了光生载流子的分离效率,而且光吸收范围也变得更宽,其光催化分解水产氢速率大幅度增加。采用煅烧法和熔盐法分别制备C-Ti O2光催化剂,对比这两种制备方法对C-Ti O2催化剂微观形貌、晶粒尺寸、光生电荷分离和迁移速率的影响。结合XRD和XPS表征证明了C-Ti O2的成功制备,微观形貌表征结果显示熔盐法制备的C-Ti O2保留了原始Ti3C2的片层结构。通过谢乐公式计算得知熔盐法比煅烧法制备的Ti O2具有更小的晶粒尺寸。C-Ti O2的光电流响应和电化学阻抗谱表明熔盐法制备的光催化材料具有优异的电子-空穴对分离效率和较小的界面内电阻。在模拟太阳光照射下,煅烧法制备的T-400(煅烧温度为400℃,T代表Ti O2)样品的制氢能力为0.425 mmol/h/g,而熔盐法制备的T-Z-400(煅烧温度为400℃,Z代表Zn Cl2)样品的产氢速率为2.3 mmol/h/g,约为T-400的5.4倍。通过水热法制备得到C-Ti O2/Zn0.5Cd0.5S异质结光催化剂。在SEM和TEM图片中观察到Zn0.5Cd0.5S纳米颗粒较密集的包裹在C-Ti O2片层结构上。通过紫外-可见漫反射测试表明C-Ti O2/Zn0.5Cd0.5S异质结的形成有效减小了禁带宽度,从而提高了可见光吸收。结合光致发光光谱和电化学测试进一步说明异质结有效降低电荷转移内电阻,增强了催化剂中光生电子-空穴对的分离效率。通过在可见光下的产氢性能测试得到Zn0.5Cd0.5S与10 wt%的C-Ti O2复合的样品(10T/ZCS)的产氢性能最佳,达到0.71 mmol/h/g,为自制的Zn0.5Cd0.5S的2.5倍。加Pt以后10T/ZCS的性能大幅上升,高达4.9 mmol/h/g。
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