基于TiO2和CuO高效光電催化劑的構(gòu)建及其光電協(xié)同催化還原CO2的研究.pdf

1、環(huán)境污染和能源危機(jī)是影響人類發(fā)展的兩大問題。目前，化石燃料的燃燒釋放出大量的CO2，從而使得空氣中CO2的濃度升高，引發(fā)了氣候惡劣、海平面上升等重大環(huán)境問題。因而降低CO2排放量，構(gòu)建非化石燃料、環(huán)境友好型可再生新能源體系成為研究熱點(diǎn)。在眾多減排技術(shù)中，CO2的光電催化技術(shù)以水為氫源，以太陽光和電能為動(dòng)力，是潔凈、環(huán)境友好型技術(shù)，因此成為CO2還原領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。光電催化的核心是光電催化劑的制備。一方面，可以利用光催化活性，在光照條件下

2、產(chǎn)生光電子，減少外界電子能量的輸入，降低能耗;另一方面，可以利用電催化活性，提高還原產(chǎn)物的選擇性和可控性。
　　自1979年Inoue和Fujishima第一次在Nature上報(bào)道了TiO2半導(dǎo)體粉末在水溶液中可以光催化還原CO2成為有機(jī)物，TiO2自此成為研究者們研究最廣泛、最深入體系，其研究的內(nèi)容涉及到催化劑形貌、晶相及改性等方面。但是TiO2禁帶寬度達(dá)到3.2eV，只能吸收波長小于385nm的紫外光而限制了其廣泛應(yīng)用，紫外光

3、在整體太陽光光譜僅占約4％的比例，但是可見光則占45％，因此欲得以利用更多的太陽光，開發(fā)更穩(wěn)定、更高活性、具有良好可見光響應(yīng)的光催化劑是根本途徑。
　　而半導(dǎo)體化合物InP具有較寬的激發(fā)光譜，光學(xué)性能優(yōu)良，電子遷移率較高，是一種無毒的環(huán)境友好的半導(dǎo)體材料。SnO2是一種優(yōu)異的電催化劑。將二者與TiO2組合在一起期望實(shí)現(xiàn)CO2的高效光電催化還原，并比較了InP與SnO2負(fù)載到表面順序的不同所制備的催化劑的光電催化還原的效果。催化劑T

4、iO2 NTs/InP/SnO2與TiO2 NTs/SnO2/InP的禁帶寬度分別為2.96eV和3.15eV;分別在電壓-1.3V和-1.4V下光電催化還原6h后的產(chǎn)物甲醇量分別為3.16mmol/L/cm2和2.82mmol/L/cm2。結(jié)果表明，催化劑TiO2NTs/InP/SnO2比TiO2 NTs/SnO2/InP具有更優(yōu)異的光電催化性能，因?yàn)镾nO2不僅是種優(yōu)異的電催化劑，而且具有光透性，光可以穿過SnO2到達(dá)InP表面，從

5、而可提高催化效果。
　　CuO是一種窄帶隙半導(dǎo)體，它具有優(yōu)異的電催化性能和產(chǎn)物選擇性。水熱法制備的CuO呈現(xiàn)花狀。XRD中的(111)晶面對(duì)甲醇有很好的選擇性。制備所得的花狀CuO的禁帶寬度為1.33eV，說明花狀CuO可被波長小于932 nm的光激發(fā)，表明其具有優(yōu)良的光催化還原性能?；頒uO電極電催化還原CO2的凈電流密度大于零，說明電極具一定的電催化還原性能。當(dāng)引入光后，凈電流密度比單獨(dú)電的明顯的高很多，表明該電極具有優(yōu)異的

6、光電催化性能。光電催化還原CO2的主產(chǎn)物為甲醇，與XRD的結(jié)論相一致。當(dāng)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行6h時(shí)，CuO上甲醇的產(chǎn)量為978μmol/L/cm2。
　　陽極氧化法制備的氮摻雜的CuO寬143nm，長786nm，呈楔形結(jié)構(gòu)均勻生長。制備得到的氮摻雜的CuO禁帶寬度為1.34eV，導(dǎo)帶位置為-1.03eV。其載流子濃度7.5×105m-3，是CuO膜的108倍，表明其具有優(yōu)良的光催化還原性能，同時(shí)光生電子-空穴能夠有效分離。電化學(xué)催化性能方

7、面來講，該材料具有巨大的電化學(xué)吸附活性位點(diǎn)，是CuO膜的252倍;具有較低的CO2還原過電位，相對(duì)于CuO膜正移了0.17V，氮摻雜的CuO對(duì)CO2表現(xiàn)出優(yōu)良的電催化還原性能。在光電催化還原CO2的應(yīng)用中，光電催化還原CO2的主產(chǎn)物為CH3OH，氮摻雜的CuO上的光電流轉(zhuǎn)化效率達(dá)84.4％，是CuO膜(5.84％)的14.5倍。反應(yīng)進(jìn)行6h時(shí)，氮摻雜的CuO上甲醇的產(chǎn)量(3.6 mmol/L/cm2)是CuO膜(0.026mmol/L/