高效二維助催化劑應(yīng)用于光催化水分解出氧研究.pdf

1、高效二維助催化劑應(yīng)用于高效二維助催化劑應(yīng)用于光催化水分解出氧研究光催化水分解出氧研究TwoDimensionalMaterialasEfficientCocatalystfOxygenEvolutionReaction(OER)inPhotocatalyticWaterSplitting工程領(lǐng)域：材料工程作者姓名：王婷指導(dǎo)教師：葉金花教授劉樂全副教授企業(yè)導(dǎo)師：張衛(wèi)衛(wèi)高工天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二零一六年十二月I摘要直接利用光來驅(qū)動(dòng)一系

2、列重要化學(xué)反應(yīng)的光催化在解決能源短缺和環(huán)境問題方面具有極大的潛力。光催化水分解是重要的人工光合成過程，而其中的水氧化往往受到多電子轉(zhuǎn)移困難以及載流子復(fù)合效率高等因素的影響，是光催化水分解的決速步驟。部分半導(dǎo)體材料，如WO3，本身具有一定的水分解出氧催化活性，但是催化效率較低。助催化劑可以有效促進(jìn)光生載流子的分離、降低諸多反應(yīng)的過電勢，促進(jìn)出氧催化活性的提升，在光催化過程中起著舉足輕重的作用。應(yīng)用于水分解出氧半反應(yīng)的半導(dǎo)體催化劑主要有WO

3、3，BiVO4等。WO3由于其性能穩(wěn)定，不發(fā)生光腐蝕，被廣泛應(yīng)用于光催化分解水的出氧半反應(yīng)中。另外，RuO2、IrO2等都是常見的水分解出氧助催化劑，但是他們的稀缺和高成本限制了大規(guī)模的應(yīng)用，其水分解出氧的提升效率也依然有限。所以，開發(fā)廉價(jià)高效的助催化劑對于提高復(fù)合材料的出氧活性有重大意義。伴隨著石墨烯等二維材料發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，人們對二維材料的性質(zhì)有了新的認(rèn)識，其在光催化中有廣闊的應(yīng)用前景。Ti1xO2單層納米片材料是一種厚度納米級長度微米

4、級的超薄高結(jié)晶度的二維材料，最重要的是，由于其特殊的二維結(jié)構(gòu)，讓他有很多不同于粉體的獨(dú)特屬性。低維化使材料本身帶隙寬化，光學(xué)特性和電子特性都發(fā)生一定變化，在光催化領(lǐng)域有重要的研究價(jià)值。我們通過固相合成，質(zhì)子交換，溶脹剝離獲得層片Ti1xO2的懸濁液，再經(jīng)過離心獲取單層Ti1xO2，AFM測試表明這種方法獲得的層片材料厚度可小至1nm左右。然后通過NaWO3水解并與這種層片材料進(jìn)行復(fù)合，燒結(jié)后獲得二維Ti1xO2與WO3的復(fù)合光催化劑。復(fù)

5、合后的新型光催化劑顯著提高了WO3在可見光下光催化水分解的出氧活性，并且隨著Ti1xO2層片厚度的減小，相應(yīng)的復(fù)合材料的水分解出氧活性進(jìn)一步提高。二維層片Ti1xO2對WO3催化活性的提高作用比常用的出氧助催化劑RuO2，IrO2更明顯，通優(yōu)化助催化劑負(fù)載量，熱處理溫度等參數(shù)可以達(dá)到最優(yōu)催化活性。通過對光吸收，電子空穴分離以及表面催化反應(yīng)三個(gè)方面的探索，初步判斷了層片材料作為助催化劑的作用機(jī)理。本工作研究的助催化劑高效廉潔，具有重要的研