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摘要
资源短缺和环境污染成为制约当今社会发展的两大难题,清洁能源代替化石能源的大潮已全面开启,而氢能作为新一代清洁能源在全球范围内备受关注与重视.太阳能和水都是丰富的可再生资源,利用太阳能将水转化为氢能的光催化和光电催化分解水产氢技术具有广阔的前景.二氧化钛(TiO2)作为一种n型半导体,具有耐光腐蚀性、稳定性、低成本和无毒性等优点,已被广泛应用于光催化降解污染物、产氢和CO2转化等领域.但TiO2也存在光谱响应范围较窄、光生载流子复合率高、氧化动力学缓慢等缺点,严重限制了其在光催化和光电催化分解水方面的应用.为了改善TiO2的上述缺点,本文通过形貌控制、结构设计、缺陷工程、异质结构建和贵金属掺杂等多种策略合成了Ag/PANI/3DOMM-TiO2-x三元催化剂,显著提升了光催化和光电催化分解水产氢的性能.Ag/PANI/3DOMM-TiO2-x催化剂具有以下特点:(1)催化剂为三维有序大孔结构且具有较大的比表面积和均匀的孔径,有利于传质扩散并为催化剂提供了更多的吸附和反应位点;(2)在3DOMM-TiO2中引入Ti3+和氧空位等缺陷可以显著减少带隙宽度,提高光吸收效率;(3)聚苯胺(PANI)作为一种典型的导电聚合物在可见光范围内表现出较高的吸收能力和良好的导电性;(4)成功构建了Z型异质结光催化剂,由于氧化和还原位点分别在3DOMM-TiO2-x和PANI两种催化剂表面,从而可以显著提高光生载流子的有效分离和运输,并且催化剂具有更强的氧化还原能力;(5)通过贵金属银纳米颗粒的表面等离子体共振(SPR)效应增强对可见光的吸收,并且银纳米颗粒的SPR效应会产生更多的热电子并转移到PANI的导带,进而直接参与还原反应制氢.结合X射线衍射光谱和X射线光电子能谱表征结果,说明成功合成了Ag/PANI/3DOMM-TiO2-x催化剂;扫描电子显微镜,透射电子显微镜,高分辨率透射电镜以及电子自旋共振等表征结果表明,Ag/PANI/3DOMM-TiO2-x催化剂具有三维有序大孔和中孔结构并成功引入了氧空位和银纳米颗粒,UV-Vis DRS表征说明,通过对催化剂光学性能的不断改进,催化剂对可见光的吸收逐渐增强,催化剂的禁带宽度不断减小.基于上述各方面的协同效应,Ag/PANI/3DOMM-TiO2-x催化剂在光催化和光电催化水分解制氢中均表现出较强的活性,光催化制氢速率为420.90μmol g-1 h-1,分别为商用P25和3DOMM-TiO2的19.80倍和2.06倍.在光电化学试验中,通过AM 1.5 G模拟太阳光照射,在0.5 mol/L NaSO4的缓冲溶液中,Ag/PANI/3DOMM-TiO2-x复合光电阳极在1.23 V vs.RHE下的光电流密度为1.55 mA cm-2,约为3DOMM-TiO2的5倍.综上,本文合成的有机/无机Z型光催化剂Ag/PANI/3DOMM-TiO2-x在光催化和光电催化水分解制氢方面具有良好的应用潜力.
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