二維過渡金屬氧化物(TiO2,WO3)的氫化及其光催化性能研究.pdf

1、作為一種便宜、高效、穩(wěn)定的光催化劑，過渡金屬氧化物吸引了研究人員的廣泛興趣，其已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了太陽能電池、光催化產(chǎn)氫、光催化降解等領(lǐng)域。然而，由于大部分過渡金屬氧化物的帶隙寬度較大，導(dǎo)致其只能利用太陽光的紫外光部分，對太陽光的利用效率較低。因此，研究人員努力擴(kuò)展其對可見光的吸收，以增加對太陽光的利用效率。最近，Xiaobo Chen等人以一種突破性的方法，將白色的二氧化鈦納米顆粒進(jìn)行氫化處理，制備出了“黑色”的二氧化鈦，引起了人們廣

2、泛的關(guān)注?！昂谏钡亩趸亴梢姽饩哂泻軓?qiáng)的吸光性能，而且其還具有比白色二氧化鈦顆粒更高的光催化效率。
　　相比于塊體材料，超薄片狀材料擁有極大的比表面、奇異的電子特性等性質(zhì)。超薄納米片極大的比表面積有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。理論研究表明，超薄片表面高度暴露的金屬原子擁有更高的電子密度，因此，超薄片狀的過渡金屬氧化物更容易被氫化。從應(yīng)用的角度說，極大的比表面積非常有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行。因此，對片狀二維過渡金屬氧化物進(jìn)行氫化從而獲得

3、穩(wěn)定高效的光催化劑具有很大的意義。在本論文當(dāng)中，我們主要做了以下的工作：
　　（1）我們利用表面活性劑作為軟模板，通過二氧化鈦前驅(qū)體的自組裝形成層狀結(jié)構(gòu)，然后利用溶劑熱反應(yīng)制得了二維的超薄 TiO2納米片。我們通過退火處理提高其結(jié)晶度，而且還利用了 NaBH4作為還原劑對退火后的二氧化鈦納米片進(jìn)行了氫化。我們利用透射電鏡對氫化前后二氧化鈦進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，二氧化鈦納米片經(jīng)過氫化之后保持了良好的片狀結(jié)構(gòu)，而且氫化產(chǎn)生的無序化結(jié)構(gòu)最先是

4、從納米片的邊緣開始，通過邊緣逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展。隨著氫化程度的加大，二氧化鈦納米片在可見光區(qū)的吸光性能增加，其帶隙寬度也逐漸減小。我們還對氫化前后樣品進(jìn)行了拉曼光譜表征，隨著氫化程度的加大，原來的拉曼振動模式被破壞，出現(xiàn)了新的拉曼活性振動，二氧化鈦納米片的拉曼峰向低波數(shù)方向移動，同時(shí)還出現(xiàn)了新的拉曼振動峰。這是由于氫化產(chǎn)生氧空位、Ti3+和Ti-OH引起的。氧空位缺陷、Ti3+和Ti-OH的存在產(chǎn)生了雜質(zhì)中間能級，減小電子激發(fā)所需的能量。為

5、了表征氫化對樣品的光催化性能的影響，我們對樣品的光電流密度、光催化制氫和降解的性能進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過氫化之后，二氧化鈦納米片不但光電流密度都有所提升，而且其光催化制氫和光催化降解甲基橙性能也都有所提高。
　?。?）我們利用同樣的方法制備了二維三氧化鎢納米片，在1％H2/Ar氣氛、300℃條件下對其進(jìn)行了氫化。我們研究了弱還原性氣體對樣品氫化的影響，同時(shí)也探討了水熱產(chǎn)物退火處理對氫化過程的影響；在相同條件下，退火之后的樣

6、品更不容易被氫化。這主要是因?yàn)橥嘶鸷髽悠肪w結(jié)構(gòu)更加完整，氫化過程中氫原子更不容易進(jìn)入到三氧化鎢晶格當(dāng)中。我們對樣品進(jìn)行了紫外可見吸收光譜表征，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，氫化之后三氧化鎢對可見光的吸光能力增加，帶隙寬度減小。我們對樣品的X光電子能譜分析得出，經(jīng)過氫化之后，W4f的峰向低結(jié)合能移動，而且O1s的峰向高結(jié)合能方向移動，同時(shí)，O1s還出現(xiàn)了肩峰；這可能是因?yàn)榻?jīng)過氫化之后，產(chǎn)生了W5+或者W-OH。我們同樣對氫化前后產(chǎn)物進(jìn)行光電流密度