NiS_TiO_2_Ti_...结构的构筑及光催化产氢性能_姚庆.pdf

第6 0卷 第4期微纳电子技术V o l.6 0 N o.42 0 2 3年4月M i c r o n a n o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g yA p r i l 2 0 2 3材料与结构D O I:1 0.1 3 2 5 0/j.c n k i.w n d z.2 0 2 3.0 4.0 0 5收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 5基金项目:国家自然科学基金(6 1 9 0 4 1 2 2);山西省青年科学基金(2 0 1 9 0 1 D 2 1 1 0 7 4,2 0 2 1 0 3 0 2 1 2 4 4 7 9)通信作者:顼建乐;李朋伟N i S/T i O2/T i3C2三元异质结结构的构筑及光催化产氢性能姚 庆1,顼建乐1,金 闯2,王 亮1,赵文森1,李朋伟1(1.太原理工大学 信息与计算机学院 微纳系统研究中心,太原 0 3 0 0 0 0;2.江苏斯迪克新材料科技股份有限公司,江苏 苏州 2 1 5 0 0 0)摘要:二维过渡金属碳化物MX e n e(T i3C2)因其优良二维层状结构及导电性被认为是一种理想的光催化材料。采用两步水热法结合原位自氧化方法合成了N i S/T i O2/T i3C2(T C T N S)三元复合光催化剂。运用多种分析手段(场发射扫描电子显微镜(F E S EM)、X射线衍射仪(X R D)、紫外-可见光(UV-V i s)吸收光谱仪及光电流测试)对其结构进行了表征,研究了其光催化分解水产氢的活性,探讨了材料的组成、结构与性能之间的相互影响。结果表明,与单一N i S和二元T i O2/T i3C2催化剂相比,复合光催化剂具有更高的光电性能。其可见光驱动的光催化H2产氢速率可达3 2 6 9 m o l/(gh),是二元T i O2/T i3C2产氢速率的约1 9倍。实验结果表明,由于N i S和T i O2纳米颗粒覆盖重建的多异质结界面,以及T C T N S复合光催化剂中存在更多的电子转移通道,复合光催化剂可显著抑制光生载流子的复合,实现高效的光-电能源转换,因此在光催化产氢领域有广阔的应用前景。关键词:T i3C2;MX e n e;原位自氧化;光催化产氢;异质结结构中图分类号:T Q 1 1 6.2;O 6 4 3.3 6;O 6 4 4.1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1-4 7 7 6(2 0 2 3)0 4-0 5 2 6-0 8C o n s t r u c t i o n a n d P h o t o c a t a l y t i c H y d r o g e n G e n e r a t i o n P e r f o r m a n c e o f N i S/T i O2/T i3C2 T e r n a r y H e t e r o j u n c t i o n S t r u c t u r e Y a o Q i n g1,X u J i a n l e1,J i n C h u a n g2,W a n g L i a n g1,Z h a o W e n s e n1,L i P e n g w e i1(1.M i c r o-N a n o S y s t e m R e s e a r c h C e n t e r,C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d C o mp u t e r,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 0 0,C h i n a;2.J i a n g s u S i d i k e N e w M a t e r i a l s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o.,L t d.,S u z h o u 2 1 5 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T w o-d i m e n s i o n a l t r a n s i t i o n m e t a l c a r b i d e(T i3C2,MX e n e)i s c o n s i d e r e d a s a n i d e a l p h o t o c a t a l y t i c m a t e r i a l d u e t o i t s e x c e l l e n t t w o-d i m e n s i o n a l l a y e r e d s t r u c t u r e a n d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y.N i S/T i O2/T i3C2(T C T N S)t e r n a r y p h o t o c a t a l y s t w a s s y n t h e s i z e d b y a t w o-s t e p h y d r o t h e r m a l m e t h o d c o m b i n e d w i t h i n s i t u a u t o o x i d a t i o n.A v a r i e t y o f a n a l y t i c a l m e t h o d s(f i e l d e m i s s i o n s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e(F E S EM),X-r a y d i f f r a c t o m e t e r(X R D),u l t r a v i o l e t-625姚 庆等:N i S/T i O2/T i3C2三元异质结结构的构筑及光解水产氢性能v i s i b l e(UV-V i s)a b s o r p t i o n s p e c t r o m e t e r a n d p h o t o c u r r e n t m e a s u r e m e n t)w e r e u s e d t o c h a r a c t e r i z e t h e s t r u c t u r e o f t h e m a t e r i a l,a n d t h e a c t i v i t y o f t h e p h o t o c a t a l y t i c d e c o m p o s i t i o n o f a q u a t i c h y d r o g e n w a s s t u d i e d.T h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e c o m p o s i t i o n,s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l w a s d i s c u s s e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t c o m p a r e d w i t h s i n g l e N i S a n d b i n a r y T i O2/T i3C2 c a t a l y s t s,t h e c o m p o s i t e p h o t o c a t a l y s t h a s h i g h e r p h o t o e l e c t r i c p r o p e r t y.T h e h y d r o g e n p r o d u c t i o n r a t e o f p h o t o c a t a l y t i c H2 d r i v e n b y v i s i b l e l i g h t c a n r e a c h 3 2 6 9 m o l/(gh),w h i c h i s 1 9 t i m e s o f t h a t o f b i n a r y T i O2/T i3C2.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e c o m b i n a t i o n o f p h o t o g e n e r a t e d c a r r i e r s c a n b e s i g n i f i c a n t l y i n h i b i t e d b y t h e r e c o n s t r u c t e d m u l t i p l e h e t e r o g e n e o u s i n t e r f a c e c o v e r e d w i t h N i S a n d T i O2 n a n o p a r t i c l e s,a n d m o r e e l e c t r o n t r a n s f e r c h a n n e l s i n T C T N S c o m p o s i t e p h o t o c a t a l y s t,a n d e f f i c i e n t p h o t o e l e c t r i c e n e r g y c o n v e r s i o n c a n b e a c h i e v e d.T h e r e f o r e,i t h a s a b r o a d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t i n t h e f i e l d o f p h o t o c a t a l y t i c h y d r o g e n p r o d u c t i o n.K e y w o r d s:T i3C2;M X e n e;i n-s i t u o x i d a t i o n;p h o t o c a t a l y t i c h y d r o g e n g e n e r a t i o n;h e t e r o j u n c t i o n s t r u c t u r eE E A C C:6 8 1 0 J0 引 言重工业的发展和新技术的创新可以极大地促进社会经济的增长。然而,随之而来的化石燃料的过度开采和消耗,造成能源短缺和环境污染的严重后果。为应对这些问题,世界各国越来越重视新型低碳排放的可再生能源的开发1。在大量新型可再生能源中,氢(H2)能源因其绿色、无污染、能量密度高、来源丰富,可以直接燃烧或使用氢燃料电池释放能量,被认为是最受期待的新能源之一2。在过去的几十年里,研究人员利用半导体光催化剂进行太阳能光催化水裂解产生H2已经取得了很大的进展。T i3C2是一种具有二维层状结构的过渡金属碳化物,一般通过H F或L i F/HC l刻蚀T i3A l C2上的A l层制备得到。T i3C2不仅具有优良的导电性,而且H F刻蚀后,T i3C2表面产生的F或OH官能团会使其具有较高的表面能3,因此T i3C2被越来越广泛地应用于电化学4、储能5、微波吸收6、光催化降解7、光解水制氢8等领域。近年来,T i3C2由于其优良的导电性、亲水性和层状结构,作为助催化剂在光催化制氢领域得到了广泛的研究。T i3C2常与窄带隙或宽带隙半导体耦合进行改性。T i3C2与T i O2耦合被认为是提高光催化制氢速率的最佳途径之一9,T i O2不仅具有较高的化学 稳 定 性 和 合 适 的 产 氢 电 位,而 且