五氧化二钽纳米柱的水热合成和光催化性能

以聚乙烯醇(PEG)为结构导向剂,利用水热法合成了形貌可控的Ta2O5纳米柱.采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、漫反射紫外-可见光谱和光致发光光谱对所制备样品进行了表征.考察了结晶时间和Ta2O5/Sr(OH)2摩尔比等合成参数对样品形貌的影响,并在此基础上对Ta2O5纳米粒可能的生长机理进行了推测.结果表明,在PEG和Sr(OH)2存在条件下可以合成形貌可控的Ta2O5纳米柱.研究了紫外光下Ta2O5纳米柱降解罗丹明B的光催化性能,发现Ta2O5的形貌对光催化性能有很大影响, Ta2O5纳米柱的光催化性能与其长度和直径比成线性关系.催化降解反应的表观速率常数最高可达0.156 min–1,且经多次循环使用后,样品仍然保持较高的催化性能.     

金属(Fe,Co,Ni,Cu)掺杂的Mo2C催化剂在TiO2表面用于中性条件光催化分解水产氢

中性条件下的分解水产氢(HER)是化工领域的重要反应之一,其效率取决于催化剂的内在特性.在本工作中,我们利用3d金属(Fe,Co,Ni,Cu)对Mo2C进行掺杂来调节其费米能级,从而达到催化剂可在中性条件下吸附水并提高最终活性的目的.首先,利用简单浸渍法将四种金属的前驱体吸附到MoO3表面,然后通过煅烧一步合成金属掺杂的Mo2C.产物Mo2C的XRD峰位移以及XPS表征结果表明,四种金属通过掺杂进入到了Mo2C晶格.利用HRTEM以及相应的元素面扫分析,也证明金属确实掺杂进入了Mo2C体相.考察了Mo2C基催化剂在中性条件下电解水产氢的性能,结果表明,在10 mA/cm2条件下,Cu-Mo2C催化剂表现出最优的HER性能,其次,是Ni-Mo2C,Co-Mo2C,Fe-Mo2C和纯Mo2C,它们的过电位分别为78,90,95,100和173 mV,Tafel斜率分别是40,43,42,56和102 mV/dec.利用阻抗测试详细分析了催化剂-反应液界面电阻Rct的变化情况,样品Mo2C,Fe-Mo2C,Co-Mo2C,Ni-Mo2C和Cu-Mo2C拟合后的Rct值分别为119,89.6,46.5,33.8和23.2 ohm/cm^2,表明金属掺杂能明显降低催化剂的反应界面电阻.由于电催化过程的主要研究对象是表面双电层,所以我们利用循环伏安法计算了催化剂表面双电层的数值,得到上述五个样品的Cdl数值分别为0.047,0.06,0.1,0.16和0.24 F/cm^2,双电层的提高为催化剂表面提供了更多的反应位点.考虑了到光解水的界面反应实质也是电催化过程,我们通过浸渍方法将催化剂负载到锐钛矿TiO2表面,考察调控的功函数对光催化效率的影响.XPS表征验证了M-Mo2C负载于TiO2表面.负载助催化剂的TiO2-M-Mo2C样品均表现出了优于纯TiO2的光解水产氢性能.样品TiO2-Cu-Mo2C,TiO2-Ni-Mo2C,TiO2-Co-Mo2C,TiO2-Fe-Mo2C,TiO2-Mo2C和纯TiO2的产氢速率分别为21,404,275,224,147和112μmol/h.利用瞬态荧光研究了载流子在助催化剂和TiO2两相的界面迁移,通过单指数拟合得到样品TiO2,TiO2-Mo2C,TiO2-Fe-Mo2C,TiO2-Co-Mo2C,TiO2-Ni-Mo2C,TiO2-Cu-Mo2C和TiO2-Pt的荧光寿命分别是22.6,20.5,10.1,4.7,4.0,2.5和1.9 ns,说明不同金属掺杂的Mo2C对提取光生电子的效果不同,元素Cu最有效.进一步利用瞬态吸收光谱研究了TiO2-Mo2C,TiO2-Cu-Mo2C和TiO2-Pt三个样品的载流子迁移,同样采用单指数拟合得到的荧光寿命分别为105,73和31 ps,进一步说明掺杂Cu后助催化剂Mo2C对于提取TiO2的光生电子寿命具有很好的促进作用.利用UPS技术探究了金属掺杂后Mo2C的缺陷能级位置,从计算结果可以看出,元素Cu掺杂后Mo2C具有更深的缺陷能级,该能级对吸附水具有促进作用.利用原位红外光谱对样品进行了水蒸气吸附测试,结果表明,Mo2C,Fe-Mo2C,Co-Mo2C,Ni-Mo2C和Cu-Mo2C样品依次的吸附水性能提升.综上,我们利用3d金属对助催化剂进行了缺陷调控来调变其对水的起始吸附过电位,该工作对设计性能优异的光解水助催化剂具有一定的借鉴意义.