一維二氧化鈦基復(fù)合納米光催化材料的產(chǎn)氫性能研究.pdf

1、化石燃料資源具有不可再生性，且在其過度使用過程中易產(chǎn)生污染物，引起日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境惡化，這已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)面臨并亟待解決的兩大全球性難題。而太陽能資源總量巨大，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生任何污染包括溫室效應(yīng)等，是理想的可再生清潔能源，如何將太陽能轉(zhuǎn)化成可用的能源？半導(dǎo)體光催化技術(shù)被世界公認(rèn)為是一種能解決環(huán)境污染和有效利用太陽能的理想途徑。它能在常溫下，直接利用太陽能，激發(fā)半導(dǎo)體光催化材料的光催化反應(yīng)。然而，以傳統(tǒng)的二氧化鈦半導(dǎo)體光催化材料為基

2、礎(chǔ)的光催化技術(shù)還存在著光響應(yīng)范圍較窄，太陽能利用率偏低，光生電子-空穴易復(fù)合和量子效率偏低等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)上的難題，嚴(yán)重阻礙了其在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。因此，為促進(jìn)光催化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，針對(duì)上述難題，采用靜電紡絲法得到具有獨(dú)特形貌的二氧化鈦基光催化材料，并通過對(duì)二氧化鈦進(jìn)行復(fù)合改性來降低光生電子-空穴的復(fù)合機(jī)率，提高二氧化鈦的光催化性能，另外，還研究了其光催化機(jī)理，取得了以下研究結(jié)果：
　　第一，以鈦酸四丁酯、聚乙烯吡咯烷酮、六水硝酸鎳

3、為原料，無水乙醇、冰醋酸為溶劑制成前驅(qū)體溶液，采用靜電紡絲并結(jié)合煅燒法成功合成出一維（1D）NiO-TiO2復(fù)合納米纖維。利用X射線衍射（XRD）研究材料的相結(jié)構(gòu),場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）,及其附件能量色散X射線光譜（EDX）儀和透射電子顯微鏡（TEM）觀察材料的微觀形貌，X射線光電子能譜（XPS）表征光催化劑的表面元素價(jià)態(tài)，氮?dú)馕矫摳綔y(cè)量其比表面積和孔結(jié)構(gòu)，紫外-可見漫反射光譜（UV-vis）對(duì)所得樣品進(jìn)行光電性能表征。新

4、制一維NiO-TiO2復(fù)合納米纖維的光催化活性是通過在氙燈（模擬太陽光）照射下和以甲醇作犧牲劑的條件下來評(píng)估其產(chǎn)氫活性。結(jié)果顯示，與純二氧化鈦納米纖維相比，在相同的反應(yīng)條件下，加入少量NiO的TiO2復(fù)合納米纖維的光催化活性明顯增強(qiáng)，不同NiO的加入量也對(duì)其光催化活性有顯著影響，其中NiO的最佳含量為0.25wt％，產(chǎn)氫速率為377μmol h-1g-1，表觀量子效率（QE）為1.7%。與純TiO2相比，其光催化產(chǎn)氫速率提高了7倍以上。

5、這是因?yàn)樵跊]有貴金屬（Pt）作助催化劑的情況下，NiO也可以作為有效的助催化劑，來減少光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率，降低產(chǎn)氫過電勢(shì)。本工作展示了采用簡(jiǎn)單的靜電紡絲法來制備高性能NiO-TiO2一維復(fù)合納米纖維結(jié)構(gòu)光催化材料的過程，探索了利用廉價(jià)的過渡金屬氧化物替換昂貴的貴金屬在光催化還原產(chǎn)氫中作助催化劑的可能性。另外，靜電紡絲得到的一維納米纖維獨(dú)特結(jié)構(gòu)，相比TiO2納米顆粒，更有利于在實(shí)際應(yīng)用中的分離回收和循環(huán)使用。
　　第二，石墨

6、烯，是由單層碳原子堆積成具有類蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維（2D）納米材料，具有比表面積大、電荷遷移速率快、良好的熱傳導(dǎo)能力和機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，石墨烯基復(fù)合納米材料的制備與應(yīng)用引起了人們極大地關(guān)注。以鈦酸四丁酯、聚乙烯吡咯烷酮、氧化石墨為原料，無水乙醇、冰醋酸為溶劑制成前驅(qū)體溶液，采用靜電紡絲并結(jié)合煅燒法成功合成出還原氧化石墨烯-氧化鈦（RGO-TiO2）一維復(fù)合納米纖維材料。然后利用包括XRD，F(xiàn)ESEM、TEM、BET、UV-vis和熱重

7、分析（TGA）等手段對(duì)所得樣品進(jìn)行表征。在沒有貴金屬（Pt）作為助催化劑的情況下，研究了RGO的加入量對(duì)氧化鈦光催化產(chǎn)氫活性的影響。結(jié)果表明，在經(jīng)過RGO的改性后，二氧化鈦光催化產(chǎn)氫的性能得到了極大的提高。其中RGO的最佳含量為0.25wt%，最優(yōu)產(chǎn)氫速率為149μmol h-1g-1，表觀量子效率為0.75%。在相同的反應(yīng)條件下，與純二氧化鈦納米纖維相比，其光催化產(chǎn)氫速率提高了10倍以上。這是由于RGO的引入，可以有效的增大樣品比表面