水熱合成MoS2-TiO2NTs和FeS2-TiO2NTs復合電極及其光助電催化還原CO2制備甲醇.pdf

1、過去的幾十年，二氧化碳的大氣濃度因為人類活動的擴展而迅速擴張，從而加速了溫室效應的發(fā)生，并帶來了一系列危害。如何降低大氣中二氧化碳的濃度，一直是科研工作者的研究重點和難點。此外，隨著工業(yè)高速發(fā)展，礦物質(zhì)燃料的消耗日益加劇。因此，二氧化碳資源化技術研究受到了普遍的關注，尤其是將二氧化碳催化還原為醇類等礦物質(zhì)燃料的這一課題更是得到了廣泛重視，其中光電催化還原成為新的研究熱點。目前光催化還原CO2主要是在有機溶劑中、高溫下利用紫外光還原CO2

2、，其還原效率低，能耗高。而電催化還原CO2隨著反應的進行催化劑法拉第電流效率逐漸降低，還原效率隨之下降。所以本課題旨在探索一種在常溫、水溶液中，利用可見光來輔助電催化從而達到高的法拉第電流效率催化還原CO2的綠色新技術。
　　 光電催化還原CO2的一個主要研究內(nèi)容就是光電催化劑的選擇及其制備工藝。TiO2作為一種禁帶寬度適中，化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性良好，廉價無毒的半導體材料，是光電催化領域應用最多、最廣泛的一種催化劑。二氧化鈦納米

3、管(TiO2 NTs)相對于TiO2納米粒子、納米膜等結構，具有更大的比表面、更多的活性位點、更高的光催化活性，而備受青睞。但是，TiO2的帶隙較寬(3.2 eV)，主要利用太陽能中4％左右的紫外光能量，對可見光的利用率低，從而影響了其在光催化領域的應用。因此，本實驗選擇MoS2和FeS2作為敏化劑，兩者都具有良好的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、光電性能和適宜的能帶隙(MoS21.17 eV, FeS20.95 eV)，并且在可見光范圍有強吸收

4、，實驗中采用改進的陽極氧化法在鈦基底上原位制備了排列整齊、大小均一的二氧化鈦納米管，然后通過水熱法將制備的MoS2 Rods和FeS2 NPs負載在TiO2NTs半導體載體上，制備出一種高催化活性和寬響應范圍的可用于還原CO2的新型光電催化劑。
　　 在復合電極的制備過程中采用了簡單易行的水熱合成法，即首先通過改進的陽極氧化法制備TiO2NTs基底，然后將制備的TiO2 NTs基底連同制備MoS2 Rods和FeS2 NPs的試

5、劑一起放入反應釜內(nèi)，然后在適宜的溫度下經(jīng)過相應的時間，得到均勻摻雜的、性能優(yōu)異的光電復合電極。以復合電極的光電性能為考察指標，考察了復合電極制備中的陽極氧化時間、氧化電位、水熱溫度、時間以及MoS2 Rods或FeS2 NPs負載量的影響，得出制備復合電極的最佳制備條件。將在最佳條件下制備的復合電極用于還原CO2，考察了光助電催化反應中的影響因素，進而優(yōu)化了CO2光助電催化還原反應條件。在光強為100 mWcm-2，外加電壓為-1.3

6、V下反應6h后還原CO2的主要產(chǎn)物甲醇量最高可達14.49 mmol L-1，相對于單一的電催化，光助電催化顯示很好的優(yōu)越性。最后，我們通過實驗現(xiàn)象和查閱文獻，對光助電催化還原CO2反應機理進行了分析和探討。
　　 對制備的復合電極采用SEM、XRD、XPS、UV-Vis、EIS、LSV等手段證進行了表征。通過表征可以看到MoS2 Rods和FeS2 NPs成功的負載到了TiO2NTs基底上，而且擁有優(yōu)越的光電性能。通過氣相分析

7、，產(chǎn)物主要為甲醇，而且產(chǎn)量得到提高。本課題中制備光電復合電極所采用的方法簡單快速，節(jié)約能源;復合電極擁有很好的光吸收但由于能帶的不匹配而不具備單獨光催化還原CO2的能力，此外電催化雖然能夠還原二氧化碳但是產(chǎn)率非常低，而且法拉第效率隨著反應的進行逐漸降低。我們采用光助電催化很好的解決了這一問題，充分的利用了電極本身的光性能而對電催化還原CO2有很大的促進作用。實現(xiàn)了常溫可見光下、水溶液中CO2的還原，為將來光助電催化的實際應用提供了參考，