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基于WO3?x量子点和TiO2构建高效Z型光催化产氢催化剂
引用本文:潘伦,张靖雯,贾旭,马煜航,张香文,王莅,邹吉军.基于WO3?x量子点和TiO2构建高效Z型光催化产氢催化剂[J].催化学报,2017,38(2).
作者姓名:潘伦  张靖雯  贾旭  马煜航  张香文  王莅  邹吉军
作者单位:1. 天津大学化工学院绿色合成与转化教育部重点实验室,天津300072;天津化学化工协同创新中心,天津300072;2. 天津大学化工学院绿色合成与转化教育部重点实验室,天津,300072
基金项目:16JCQNJC05200). 国家自然科学基金,天津市自然科学基金
摘    要:TiO2具有高效、廉价、无毒及光化学稳定性好等优点,因而被广泛应用于光能转化和利用领域,如太阳能电池、光催化分解水制氢和环境污染物降解等.但是,TiO2仍然存在一些缺陷制约了其应用,其中,最关键的问题是光生电荷分离效率低.因此,人们对其进行了掺杂、异质结构建和Z型结构建等来解决这一问题,其中Z型结近年来备受关注.全固体Z型结的构建目前主要有两种方式:PSI-C-PSII和PSI-PSII.前者PSI与PSII间要插入中间导电层(如Au、rGO等)来实现界面欧姆接触;后者则无中间层,而是基于界面设计来实现欧姆接触.本文以构建PSI-PSII Z型结为目标,以TiO2和WO3为基础半导体材料,采用原位溶剂热生长的方法构建WO3量子点/TiO2结构,借助氢气还原反应在界面处引入氧缺陷.采用透射电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱研究了复合晶体结构,采用X射线光电子能谱、紫外可见光谱和荧光光谱等手段研究了Z型结的界面结构和能带结构.结合光催化分解水产氢活性来建立Z型结结构与光催化性能的关联关系.表征结果表明,在TiO2上进行原位溶剂热成核反应可点缀WO3量子点,并且量子点粒径随W前驱体用量的增加而变大.两种半导体材料为TiO2锐钛矿和WO3晶体结构,且WO3的XRD特征峰和Raman特征吸收峰会随W前驱体用量增加而变大.通过对WO3/TiO2进行氢气还原处理,使其表面形成大量W5+和氧缺陷,一方面提高了催化剂对可见光的吸收,另一方面在界面形成欧姆接触,实现了Z型结构的构建.Z型结构实现了光催化分解水产氢反应,其中WTH10光催化活性最好.本文为新型Z型光催化剂的设计和构建提供了新思路和策略.

关 键 词:WO3?x  二氧化钛  产氢  量子点  W5+/氧缺陷

Highly efficient Z-scheme WO3?x quantum dots/TiO2 for photocatalytic hydrogen generation
Lun Pan,Jingwen Zhang,Xu Jia,Yu-Hang Ma,Xiangwen Zhang,Li Wang,Ji-Jun Zou.Highly efficient Z-scheme WO3?x quantum dots/TiO2 for photocatalytic hydrogen generation[J].Chinese Journal of Catalysis,2017,38(2).
Authors:Lun Pan  Jingwen Zhang  Xu Jia  Yu-Hang Ma  Xiangwen Zhang  Li Wang  Ji-Jun Zou
Abstract:Z-scheme semiconductors are a promising class of photocatalysts for hydrogen generation. In this work, Z-scheme semiconductors composed of WO3?x quantum dots supported on TiO2 (WO3–x QDs/TiO2) were fabricated by solvothermal and hydrogen-reduction methods. Characterization by transmission electron microscopy and X-ray diffraction indicated that the amount and size of the WO3–x QDs could be tuned by modulating the addition of the W precursor. Evidence from X-ray photoelectron spectroscopy and photoluminescence spectroscopy suggested that the hydrogen reduction of the composite induced the formation of oxygen vacancy (W5+/VO) defects in WO3. These defects led to ohmic contact between WO3-x and TiO2, which altered the charge-transfer pathway from type II heterojunction to Z-scheme, and maintained the highly reductive and oxida-tive ability of TiO2 and WO3–x, respectively. Therefore, the Z-scheme sample showed 1.3-fold higher photoactivity than pure TiO2 in hydrogen generation. These results suggest that the formation of W5+/VO defects at the interface is highly beneficial for the fabrication of Z-scheme photocatalysts.
Keywords:WO3–x  Titanium oxide  Hydrogen generation  Quantum dots  W5+/oxygen vacancy defect
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