偏压控制Cu2O和Cu在TiO2表面的生长及其光电化学性质

基于TiO2/Ti电极在含Cu2+溶液中的循环伏安图,调节电沉积的沉积电压,我们在TiO2平整表面制备出Cu2O和/或Cu颗粒.通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征,发现Cu2O和Cu有不同的生长机制:Cu2O颗粒在TiO2表面分散结晶,而Cu颗粒是在已生长的颗粒上成核,从而形成堆积颗粒结构.这是由于在Cu2O/TiO2界面和Cu/TiO2界面形成不同的能带结构,使得电子的转移方式不同.与纯TiO2光阳极比较,可以观察到Cu2O/TiO2和Cu/TiO2异质结构的光电流均有显著增强.特别地,存在一个电压区间使得Cu2O和Cu同时生长在TiO2表面,此时对应的光电流比较稳定并且能达到最大.紫外-可见(UV-Vis)漫反射光谱、电化学阻抗谱(EIS)和光电流—电压特性曲线均显示,Cu2O和Cu明显有助于光的可见光吸收,同时Cu/TiO2在光电转换过程中显示更宽波段的可见光利用率.此外,开路电压的增加、有效的电荷分离和电极/电解质界面上载流子的快速迁移也增强了材料的光电化学性质.     

偏压控制Cu2O和Cu在TiO2表面的生长及其光电化学性质

基于TiO₂/Ti 电极在含Cu²⁺溶液中的循环伏安图,调节电沉积的沉积电压,我们在TiO₂平整表面制备出Cu₂O和/或Cu颗粒. 通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征,发现Cu₂O和Cu有不同的生长机制：Cu₂O颗粒在TiO₂表面分散结晶,而Cu颗粒是在已生长的颗粒上成核,从而形成堆积颗粒结构. 这是由于在Cu₂O/TiO₂界面和Cu/TiO₂界面形成不同的能带结构,使得电子的转移方式不同. 与纯TiO₂光阳极比较,可以观察到Cu₂O/TiO₂和Cu/TiO₂异质结构的光电流均有显著增强. 特别地,存在一个电压区间使得Cu₂O和Cu同时生长在TiO₂表面,此时对应的光电流比较稳定并且能达到最大. 紫外-可见（UV-Vis）漫反射光谱、电化学阻抗谱（EIS）和光电流-电压特性曲线均显示,Cu₂O和Cu明显有助于光的可见光吸收,同时Cu/TiO₂在光电转换过程中显示更宽波段的可见光利用率. 此外,开路电压的增加、有效的电荷分离和电极/电解质界面上载流子的快速迁移也增强了材料的光电化学性质.     

ZnFe2O4/TiO2纳米管阵列电极的制备及光电催化降解苯酚的研究

采用阳极氧化法和电沉积法制备出具有可见光响应的ZnFe2O4/TiO2纳米管阵列电极.用环境扫描电子显微镜(ESEM)、X-射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对制备的ZnFe2O4/TiO2纳米管阵列电极的表面形貌和结构进行了表征.结果表明,该方法成功地将ZnFe2O4纳米颗粒均匀分散在TiO2纳米管中,分布在管口处的较少.同时,详细讨论了反应物浓度、沉积时间、循环次数、沉积电压对ZnFe2O4/TiO2纳米管阵列电极性能的影响.通过在可见光下降解苯酚评价了复合电极的光催化活性,实验结果表明:由于ZnFe2O4和TiO2之间的协同效应,复合电极的光响应范围扩展到了可见光区域,光电催化活性提高1.5～2倍.     

Cu2O/TiO2纳米管阵列异质结的制备及其可见光光电响应性质

采用阳极氧化法制备出结构规整的TiO2纳米管阵列,然后利用电化学沉积法制备出不同电沉积时间下Cu2O/TiO2纳米管阵列异质结.通过SEM和UV-vis对样品进行表征,并对样品的可见光光电转换、光解水等性质进行了测试.结果表明,Cu2O/TiO2纳米管阵列异质结体系在可见光区域有很强的吸收,TiO2与Cu2O之间形成的p-n结具有单向二级管的性质,能有效降低光生电子-空穴对的重组,提高光致电荷分离及电子-空穴对的迁移率.当电沉积时间为30 min时,Cu2O/TiO2纳米管阵列异质结(Cu2O/TiO2NTs-30)表现出最优的可见光光电响应性质.虽然与TiO2纳米管相比,Cu2O/TiO2NTs-30的开路电压减少了0.046 V,但短路电流却提高了4.5倍,最大吸收波长处光电转换效率提高了近6倍.     

Cu-TiO_2/ITO膜的制备、表征及其光电化学活性的研究

以甲酸作空穴捕获剂,采用直接光还原法将Cu2+沉积到TiO2膜表面制备纳米Cu TiO2/ITO膜.并分别应用紫外可见光漫反射、X 射线衍射、扫描电镜及光开路电压等实验表征.再以甲酸为模型化合物,研究Cu沉积和外加电场对TiO2光催化活性的协同增强作用.结果表明:沉积在TiO2膜表面的铜是以Cu(0)形式存在,Cu沉积对抑制光生电子 空穴的复合有明显的促进作用.于Cu TiO2/ITO膜电极施加适当正偏压,即能明显提高其催化活性.在本文实验条件下,以外加电场和Cu沉积相结合能使TiO2光催化降解甲酸的速率常数增加2.8倍.     

脉冲沉积制备Cu_2O/TiO_2纳米管异质结的可见光光催化性能

在用阳极氧化法制备有序排列TiO2纳米管阵列薄膜的基础上,引入脉冲沉积工艺,成功实现了均匀、弥散分布的Cu2O纳米颗粒修饰改性TiO2纳米管阵列,形成Cu2O/TiO2纳米管异质结复合材料.利用场发射扫描电镜(FESEM)、场发射透射电镜(FETEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)对样品进行表征,重点研究了Cu2O/TiO2纳米管异质结的光电化学特性和对甲基橙(MO)的可见光催化降解性能.结果表明,Cu2O纳米颗粒均匀附着在TiO2纳米管阵列的管口和中部位置,所制备的Cu2O/TiO2纳米管异质结具有高效的可见光光催化性能;在浓度为0.01 mol?L-1的CuSO4溶液中制得的Cu2O/TiO2纳米管异质结表现出最好的电化学特性和光催化性能;另外,对Cu2O纳米颗粒影响光催化活性的机理进行了讨论.     

在光催化还原CO2中具有高催化效率的八面体Cu2O修饰的TiO2纳米管

光催化还原CO2生成烃类燃料是一种可同时解决全球变暖和能源危机问题的最有效途径之一。尽管这方面的研究已经取得了一定的进展,但是整体的光催化转换效率还非常低。因此,需要发展更加高效的催化剂。由于半导体材料禁带宽度与太阳光谱相匹配,人们已经对其进行了广泛研究。其中TiO2因具有无毒、强氧化性以及良好的光学和电学性质等而成为最主要的研究对象。但是对于光催化还原CO2反应来说, TiO2仍存在很多不足,如只能吸收太阳光谱中的紫外光,光生载流子会快速结合,以及光生空穴的强氧化能力等,这些都限制了其光催化还原CO2的效率。采用窄禁带宽度半导体修饰TiO2是解决上述不足的有效途径之一。本文采用简单的电化学方法成功制备了一种由窄禁带半导体Cu2O修饰的TiO2纳米管(TNTs)的复合物,并运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS)表征了所制备复合物的形貌、化学组成和结晶度。表征结果显示,所制备的TiO2为整齐排列的纳米管阵列结构;复合物中的纳米颗粒为Cu2O;当电化学沉积Cu2O的时间为5 min时,得到的Cu2O纳米颗粒初步呈类八面体结构。随着沉积时间的增加, Cu2O颗粒尺寸增加,具有八面体结构。 XRD和XPS结果表明, TiO2纳米管为锐钛矿,八面体Cu2O纳米颗粒的主要暴露晶面为(111)面。我们还进一步研究了不同量Cu2O纳米颗粒修饰的TiO2纳米管复合物在可见光以及模拟太阳光下光催化还原CO2的能力。在可见光下,由于自身的禁带宽度,纯净的TiO2纳米管没有任何光催化还原CO2的能力;经过Cu2O纳米颗粒的修饰,复合物显现出明显的光催化还原CO2的能力,其中经过30 min Cu2O沉积的TNTs具有最高的光催化效率。在模拟太阳光下,经过15 min Cu2O沉积的TNTs具有最高的光催化效率。在所有光催化还原CO2过程中,主要碳氢产物为甲烷。为了深入地理解该复合体系在还原CO2中的高催化效率,我们对催化剂进行了进一步的表征。紫外-可见漫反射光谱表明, Cu2O八面体纳米颗粒的沉积将TNTs的吸收光谱拓展到了可见光区域,提高了复合物对太阳光的吸收能力。此外,我们还通过测试所制样品的光电流反应、荧光发射光谱以及电化学阻抗谱,研究了催化剂中光生电子和空穴的分离和迁移能力。结果表明,适量的Cu2O沉积提高了复合物对光的吸收能力,增加了光生载流子的数量,从而使更多的光生载流子参与光催化反应。综上,本文首次报道了八面体Cu2O纳米颗粒修饰TNTs复合物的光催化还原CO2的能力。在一定量的Cu2O纳米颗粒修饰下,该复合物在光催化还原CO2生成烃类反应中表现出高效性。经过一系列详细的表征和讨论,我们认为其高效性主要源于三个方面：(1) TNTs的管状结构为反应物的吸附提供了大量的活性位点,同时一维的管状结构更有利于光生载流子的运载,从而提高了电子和空穴的分离;(2) Cu2O纳米颗粒的修饰提高了催化剂对光的吸收,促进催化剂最大程度地利用太阳光;(3) TiO2和Cu2O之间导带以及价带位置的匹配,在减少光生载流子复合的同时也降低了TiO2价带上空穴的氧化能力,从而抑制了CO2还原产物的再氧化过程。     

电沉积法制备介孔TiO_2/CdS薄膜光电极

采用阴极恒电位沉积法,在介孔TiO2薄膜上制备了介孔TiO2/CdS薄膜光电极,用XRD,SEM,Raman,SPS和UV-Vis等多种手段对薄膜电极进行了表征.结果表明,CdS成功沉积到介孔TiO2的表面和孔道内,形成了异质结结构.通过光电流作用谱考察了该复合体薄膜电极的光电性能,结果表明,与单纯的介孔TiO2薄膜相比,其光电转换效率显著提高,这是由于CdS具有吸收可见光的特性以及CdS与介孔TiO2形成异质结从而使得光生载流子更容易分离的结果.     

ZnO/TiO2纳米管复合材料的制备及光电化学性能研究

采用电化学阳极氧化法制备TiO2纳米管,然后用光化学沉积法在TiO2纳米管表面沉积ZnO纳米颗粒制备ZnO/TiO2纳米复合材料。对样品进行了Raman谱、XRD和SEM表征,通过测定光电流-时间(I-t)和开路电压-时间(OCPT)曲线对ZnO/TiO2纳米复合材料的光电化学性能进行研究。结果表明,沉积ZnO没有改变TiO2的相结构;复合ZnO提高了TiO2的光电性能;在Zn(NO3)2浓度为10-3 mol.L-1的条件下制得的ZnO/TiO2纳米复合材料具有较好的光电性能。     

在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu2O/g-C3N4异质结膜

近几十年来,光电化学分解水制氢作为一种洁净的、能持续利用太阳能的技术受到极大关注.在众多光催化材料中,p型半导体氧化亚铜(Cu2O)被认为是最有前途的可见光光电分解水材料之一.理论上,它的光能转换为氢能的效率可达到18.7%.然而,目前所报道的Cu2O光转换效率远远低于此值;同时,纯Cu2O在光照条件下的稳定性较差.研究表明,Cu2O与其它半导体复合可以增强其光电转换效率和提高稳定性.如Cu2O和能带匹配的石墨相氮化碳(g-C3N4)复合后,光催化性能和稳定性都有较大提高.但目前所报道的Cu2O/g-C3N4复合物几乎都是粉末状催化剂,不便于回收和重复使用.本文首先采用电化学方法在FTO导电玻璃上沉积Cu2O薄膜,采用溶胶凝胶法制备g-C3N4纳米颗粒材料,然后采用电化学法在Cu2O薄膜表面沉积一层g-C3N4纳米颗粒,得到了Cu2O/g-C3N4异质结膜.分别利用X射线粉末衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)和光电化学分解水实验分析了Cu2O/g-C3N4异质结的组成结构、表面形貌、光吸收性能及催化剂活性和稳定性.XRD和HRTEM表征显示,本文成功合成了Cu2O/g-C3N4异质结材料,SEM图表明g-C3N4纳米颗粒在Cu2O表面分布均匀,大小均一.可见光光电化学分解水结果显示,异质结薄膜的光电化学性能比纯的Cu2O和g-C3N4薄膜材料有极大提高.当在Cu2O表面沉积g-C3N4的时间为15 s时,得到样品Cu2O/g-C3N4-15异质结膜,其在–0.4 V和可见光照射条件下,光电流密度达到了–1.38 mA/cm2,分别是纯Cu2O和g-C3N4薄膜材料的19.7和6.3倍.产氢速率也达到了0.48 mL h–1 cm–2,且产氢和产氧的速率之比约为2,说明此异质结材料在可见光作用下能全分解水.经过三次循环实验,光电化学分解水的效率仅降低10.8%,表明该材料具有良好的稳定性.根据UV-Vis表征和光电化学性能对比,Cu2O/g-C3N4-15的光电性能最好,但其光吸收性能并不是最好,说明光电化学性能与光吸收不是成正比关系,主要是由于Cu2O和g-C3N4两个半导体相互起到了协同作用.机理分析表明,Cu2O/g-C3N4异质结薄膜在光照下,由于两者能带匹配,Cu2O的光生电子从其导带转移到g-C3N4的导带上,g-C3N4价带上的空隙转移到Cu2O的价带上,从而降低了光生电子和空隙的复合,提高了其光催化性能.由于g-C3N4的导带位置高于H2O(或H+)还原为H2的电势,Cu2O的价带位置低于H2O(或OH–)还原为O2的电势,所以在外加–0.4 V偏压和可见光照射条件下,Cu2O/g-C3N4能全分解水,光生载流子越多,光电化学分解水的速率越大.综上所述,在Cu2O薄膜上沉积g-C3N4后得到的异质结薄膜具有高效的光能转换为氢能性能.     

Hydrothermal Syntheses of CuO,CuO/Cu2O,Cu2O,Cu2O/Cu and Cu Microcrystals Using Ionic Liquids

In this paper, CuO, CuO/Cu₂O, Cu₂O, Cu₂O/Cu and Cu microcrystals were synthesized via a hydrothermal method by mixing Cu(NO₃)₂·3H₂O and NaOH together in the presence of an ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate([BMIM]BF₄) or 1-butyl-3-methylimidazolium chloride([BMIM]Cl). The structures and the morphologies of the obtained products were characterized by means of X-ray diffractometer(XRD), field-emission scanning electron microscopy/energy-dispersive spectroscopy(FESEM/EDS), transmission electron microscopy/selected area electron diffraction(TEM/SAED) and Raman spectroscopy. The result of XRD indicates that Cu₂O and Cu microcrystals are cubic phase and the Raman spectra confirm the presence of carbon. The results of FESEM and TEM images show Cu₂O microcrystals as rule cubes of 2 μm in length and Cu particles of 5 μm in diameter. According to the difference between crystal structures, bi-component and single component products were synthesized by adjusting the reaction conditions. A possible formation mechanism of Cu₂O and Cu was proposed in[BMIM]BF₄.     

Template Synthesis and Characterization of Cu2O/TiO2 Coaxial Nanocable for Photocatalysis

Coaxial nanocable consisted of p-type Cu₂O nanowires and n-type TiO₂ nanotubes arrays was prepared in the porous anodic aluminum oxide(AAO) template via the sol-gel method and subsequent electrodeposition method. X-ray diffraction analysis identified an anatase structure of the TiO₂ nanotubes and cubic structure of the Cu₂O nanowires. The obtained samples were also characterized by scanning electron microscopy(SEM), transmission electron microscopy(TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy(EDS). The diffrence of open circuit potential of the coaxial nanocable electrode was larger than that of the TiO₂ nanotubes electrode under ultraviolet illumination, which means doping with Cu₂O could improve the photovoltage effectively. Meanwhile, nanocable arrays exhibited a high activity for photodegrading Rhodamine B under Xe lamp irradiation and the photocatalysis degradation efficiency was up to 98.69% after degradation for 7 h. The enhanced photocatalytic activity could be attributed to the high migration efficiency of photoinduced electrons, which may suppress the charge recombination effectively.     

不同晶相TiO2负载Cu2O催化甲醛乙炔化反应

分别以金红石相和锐钛矿相TiO₂为载体, 采用液相还原-沉积法制备了Cu₂O/TiO₂催化剂. 采用氮气物理吸附-脱附(N₂-physisorption)实验、 氢气程序升温还原(H₂-TPR)、 X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、 CO红外光谱(CO-IR)及高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等技术, 研究了不同晶相TiO₂载体对Cu₂O/TiO₂结构及其催化甲醛乙炔化反应性能的影响. 结果表明, 以金红石相TiO₂为载体的催化剂炔化活性明显高于以锐钛矿相TiO₂为载体的催化剂, 原因在于金红石相TiO₂主要暴露(110)晶面, 其与铜物种的配位环境及较高的空位密度形成了更多的Cu—O—Ti结构物种, 表现为Cu₂O与TiO₂之间强的相互作用. 这导致Cu₂O高效转变为乙炔亚铜活性物种, 并保持了较高的分散度与稳定性, 抑制了过度还原物种金属Cu的生成, 进而使催化剂表现出较高的催化性能.     

SILAR法制备TiO2/CdS/Co-Pi水氧化光阳极及其性能

采用连续离子层吸附法（SILAR）沉积CdS制备type-Ⅱ异质结TiO₂/CdS光阳极,用光电化学沉积法在TiO₂/CdS表面沉积催化剂（Co-Pi）得到TiO₂/CdS/Co-Pi水氧化光阳极。通过X射线衍射（XRD）仪、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）仪等对样品结构及组成进行分析,证明CdS与Co-Pi已成功负载在TiO₂表面。用已制备的光阳极在中性溶液中模拟水氧化测试,在较低外偏压（0 V（vs Ag/AgCl））和无电子牺牲剂的情况下,即使在可见光照射下,依然得到较高的初始光电流和稳定光电流,分别为1.3和0.5 mA·cm^-2,表明制备的光阳极可以在可见光照下有效地驱动水氧化反应。光电化学池的工作原理为,CdS吸收光子产生光生电子-空穴,TiO₂和Co-Pi分别传输电子和空穴,空穴进行水氧化,电子转移到阴极完成质子还原。     

Ag2O/TiO2纳米线异质结的制备及可见光催化性能

采用化学沉积法制得了氧化银/二氧化钛纳米线异质结(Ag₂O/TNWs)可见光催化剂. 应用扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)、 X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂进行表征, 并以甲基橙降解为模型反应研究了其光催化性能. 结果表明, 与负载等量氧化银的二氧化钛纳米粒子(Ag₂O/P25)催化剂相比, Ag₂O/TNWs纳米线异质结具有优异的一维增强可见光催化性能.     

Cu2O微晶的可控制备及可见光催化亚甲基蓝降解性能

以醋酸铜为铜源, 柠檬酸钠为形貌导向剂, 乙二醇和水为溶剂, 采用溶剂热法制备了立方状形貌的Cu₂O微晶. 利用X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱( XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等对Cu₂O微晶进行了表征. 结果表明, 在柠檬酸钠与醋酸铜摩尔比为1.0时, 于180 ℃反应5 h可以制备出尺寸分布在0.6~1.5 μm间的均一立方状形貌Cu₂O微晶. 研究了该微晶对亚甲基蓝(MB)在可见光下降解反应的光催化性能. 结果表明, 在H₂O₂存在下, Cu₂O微晶(0.3 g/L)在100 min内对30 mg/L MB溶液的降解率可以达到98%. 该催化剂经过8次循环使用对MB的降解率仍保持在96%以上, 展现了较高的催化活性及良好的稳定性. 通过活性物种的分析对催化体系的光催化机理进行了推测.     

Isoelectric point-controlled preferential photodeposition of platinum on Cu2O-TiO2 composite surfaces

Isoelectric point-controlled preferential adsorption of[PtCl₆]^2- on Cu₂O/TiO₂ composite surfaces is revealed to play a key role in the photodeposition process.     

1-辛基-3-甲基咪唑功能化石墨片负载氧化亚铜催化二氧化碳电还原制乙烯

电催化还原二氧化碳制备乙烯是备受关注的热点问题,高效催化剂的制备是决定乙烯产率的关键因素。本文在1-辛基-3-甲基咪唑氯的水溶液(OmimCl : H₂O = 1 : 5,体积比)中通过电剥离石墨棒制备了1-辛基-3-甲基咪唑功能化石墨片(ILGS),在水溶液中负载氧化亚铜后得到氧化亚铜/1-辛基-3-甲基咪唑功能化石墨片复合材料(Cu₂O/ILGS),通过透射电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱和X射线衍射对其组成和结构进行了系统研究,发现ILGS由多层石墨烯组成,表面富含缺陷。这些缺陷被1-辛基-3-甲基咪唑通过共价键修饰,形成类似鸟巢状的微结构,平均直径5 nm的Cu₂O纳米颗粒在石墨片表面均匀分散。在0.1 mol∙L⁻¹碳酸氢钾水溶液中,研究了Cu₂O/ILGS在不同电压下催化CO₂电还原的性能。结果表明,Cu₂O是主要活性中心并在CO₂还原过程中被逐渐还原成铜,导致产物的法拉第效率随着反应时间而变,在−1.3 V (vs RHE)电压下,乙烯的法拉第效率最高达到14.8%,其性能归因于Cu₂O/ILGS复合材料中的鸟巢状微结构对Cu₂O纳米颗粒的稳定作用。