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石墨烯-CuO/TiO2复合催化剂的合成及光催化制氢活性*

2016-12-03涂盛辉胡亚平朱敏剑梁海营彭海龙

功能材料 2016年4期
关键词:产氢太阳光空穴

涂盛辉,胡亚平,张 婷,朱敏剑,梁海营,彭海龙,杜 军

(南昌大学 资源环境与化工学院, 南昌 330031)



石墨烯-CuO/TiO2复合催化剂的合成及光催化制氢活性*

涂盛辉,胡亚平,张 婷,朱敏剑,梁海营,彭海龙,杜 军

(南昌大学 资源环境与化工学院, 南昌 330031)

采用溶剂热法合成了石墨烯-CuO/TiO2复合催化剂,通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外-可见漫反射(DRS)表征复合催化剂的微观形貌、结构和光学特性。以H2PtCl6为无机前驱体对其进行Pt负载,研究了不同石墨烯负载量对制氢活性的影响及太阳光下的制氢活性。结果表明,石墨烯负载量为0.5%(质量分数)时,复合催化剂制氢活性最高,石墨烯和CuO协同作用提高了TiO2对可见光的利用及光催化分解C2H5OH/H2O制氢活性。在可见光下照射5 h后,样品的产氢量达到1 083.54 μmol,太阳光光照5 h后产氢量(4 374.51 μmol)为P25(1598.25 μmol)的2.74倍。

溶剂热法;光催化;制氢

0 引 言

近年来,随着化石燃料的消耗不断加剧,能源危机成为世界各国广泛的共识,H2被认为是最清洁的可再生能源,而光催化裂解水制氢作为一种绿色的产氢途径,备受关注[1]。TiO2因化学性质稳定、环境友好、催化活性高等[2-4]优点成为广泛研究的n型半导体催化剂,但其禁带宽度(3.2 eV)较大,只能对紫外光有响应,为了克服这些不足,研究者尝试对其进行改性,如贵金属沉积[5-7]、非金属掺杂[8-10]、 半导体复合[11-13]等方法增加其在可见区域光的吸收。CuO是禁带宽度(1.7 eV)较小的p型半导体,能被可见光激发,与TiO2复合可拓宽光响应范围[14]。Bandara、Choi、Jin等[15-17]制备出的CuO/TiO2复合半导体在可见光下均表现出较高的光催化产氢活性。

石墨烯是Geim等在2004年首次得到的一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,具有优越的导电性能,是抑制光催化过程中CuO/TiO2复合半导体表面光生电子-空穴对快速复合的良好导体。Zhang等[8]采用一步水热法制备出TiO2/石墨烯复合催化剂,水热过程中氧化石墨还原与TiO2生成同步发生,得到的复合材料中TiO2粒子分布在片状石墨烯上,具有较高的产氢活性。Fan[18]等分别采用紫外辅助法、水热法、还原剂还原法制备石墨烯/P25用于光催化产氢实验,结果发现石墨烯的引入能明显提高TiO2的产氢效率。Wang等[19]采用两步法合成了对可见光有响应的石墨烯-CuO/TiO2复合催化剂,Fang等[20]通过简单水热法制备出催化活性较高的石墨烯-CuO/TiO2,在紫外-可见光下降解亚甲基蓝表现出优越的催化性能。

本研究以P25和氧化石墨(GO)等为原料经溶剂热反应合成了石墨烯-CuO/TiO2复合光催化剂,考察该复合材料在可见光和太阳光下分解C2H5OH/H2O溶液制氢活性,并分析了复合催化剂中石墨烯、CuO共同提高TiO2制氢活性的机理。

1 实 验

1.1 实验试剂与仪器

试剂:石墨粉、硝酸钠、浓硫酸(98%)、高锰酸钾、过氧化氢(30%)、硝酸铜、P25、氯铂酸、无水乙醇、试剂均为分析纯,实验用水为去离子水。

仪器:微观形貌在Quanta 200F环境扫描电子显微镜及JEM-2100透射电镜下观察,物质结构由德国布鲁克BrukerD8型X-射线衍射仪、Spectrum 2000型FT-IR红外光谱仪进行表征,采用Y44.2型紫外-可见漫反射光谱仪等进行光学特性分析,H2由GC102M型气相色谱仪检测。

1.2 催化剂的制备

1.2.1 氧化石墨(GO)的制备

采用改进的Hummer法合成氧化石墨:0.5 g石墨粉和0.5 g NaNO3加入到23 mL浓H2SO4中,并置于0 ℃冰水浴中,磁力搅拌30 min。缓慢加入3 g KMnO4于上述溶液,保持磁力搅拌防止温度急速上升,水浴温度升至35 ℃反应60 min。缓慢加入40 mL去离子水,温度升至90 ℃反应30 min。逐滴加入100 mL去离子水,3 mL H2O2,搅拌10 min至无气泡产生。溶液由棕色变为黄色,离心,洗涤至中性,60 ℃真空干燥48 h,得到氧化石墨。

1.2.2 CuO/TiO2的制备

准确称取一定量的P25加入到15 mL去离子水中,磁力搅拌10 min,加入一定量Cu(NO3)2·3H2O。超声,搅拌5 h,使其混合均匀,得到浅蓝色糊状物,水浴60 ℃蒸发其中的水分,然后置于烘箱中105 ℃干燥12 h,马弗炉中350 ℃焙烧4 h,得到的即为CuO/TiO2复合半导体。通过改变Cu(NO3)2·3H2O的加入量,使得制备的复合光催化剂中CuO的含量不同,分别为 1%,2%,3%,5%和10%(质量分数),记为1-CuO/TiO2、2-CuO/TiO2、3-CuO/TiO2、5-CuO/TiO2和10-CuO/TiO2。

1.2.3 石墨烯-CuO/TiO2的制备

称取一定量的GO于80 mL无水乙醇中超声1 h,得到棕色分散液,加入制备的制氢效果最佳的5-CuO/TiO2,搅拌2 h,混合均匀,转移至100 mL聚四氟乙烯内衬不锈钢高压反应釜中,置于烘箱中180 ℃水热反应10 h,自然冷却至室温,离心,洗涤,60 ℃干燥48 h,得到的样品即为石墨烯-5-CuO/TiO2,记为G-5-CuO/TiO2,通过改变GO的加入量,使得制备的复合光催化剂中石墨烯的含量不同,分别为0.1%,0.5%,1%和5%(质量分数),记为G0.1-5-CuO/TiO2、G0.5-5-CuO/TiO2、G1-5-CuO/TiO2和G5-5- CuO/TiO2。

1.3 光催化实验

0.1 g催化剂,100 mL C2H5OH/H2O(nC2H5OH∶nH2O=1∶7)溶液,1.42 mL 0.0018 mol/L H2PtC16·6H2O溶液加入360 mL反应瓶中。反应液超声15 min,氮气排空30 min,瓶口用橡胶塞密封,置于光源下磁力搅拌,每次取样1 mL,采用GC102M型气相色谱仪检测,载气为N2。20 W紫外灯为紫外光光源;450 W作为可见光光源,高压汞灯置于暗室中,光束经过水夹套和紫外截止滤光片(λ>420 nm)照射有平面窗口的烧瓶;太阳光为自然太阳光,实验时间为2013年8月10日(实验地点:江西南昌,实验时间:10:00~15:00),试验期间天气晴朗,日光充足,气温稳定(38~40 ℃)。

2 实验结果与讨论

2.1 晶相结构分析(XRD)

图1为G0.5-5-CuO/TiO2,5-CuO/TiO2及TiO2的XRD图谱。从图1可以看出,样品G0.5-5-CuO/TiO2,5-CuO/TiO2均出现与P25相似的峰型,锐钛矿型TiO2(PDF 21-1272)标准特征峰出现在2θ为25.3,37.8,48.1,54.2,62.9和75.1处。5-CuO/TiO2复合半导体在2θ=38.7°时出现CuO(PDF 48-1548)的微弱衍射峰,这是因为CuO的含量低,其它处的特征峰与TiO2的衍射峰重叠,经过水热过程负载石墨烯后,CuO的衍射峰变强,说明结晶度提高,样品中出现的TiO2的衍射峰分别对应锐钛矿相和金红石相的晶面,但G0.5-5-CuO/TiO2的图谱中没有出现石墨烯的衍射峰,这是因为石墨烯的含量太低,特征峰靠近锐钛矿相TiO2在2θ=25.3°强衍射峰,被TiO2的特征峰所覆盖。

图1 G0.5-5-CuO/TiO2,5-CuO/TiO2及TiO2的XRD图

Fig 1 XRD patterns of G0.5-5-CuO/TiO2,5-CuO/TiO2and TiO2

2.2 微观形貌分析(SEM、TEM)

图2为样品G0.5-5-CuO/TiO2和石墨烯的SEM、TEM图。图2(a)中可以看出,石墨烯为薄片状,边缘处有明显的褶皱,经过溶剂热反应,TiO2、CuO的颗粒附着在石墨烯上,且主要集中在石墨烯的边缘处(图2(b)),样品G0.5-5-CuO/TiO2的TEM图2(c)和(d)中,可以看出石墨烯的形貌,表面被CuO、TiO2的颗粒堆积,这是因为石墨粉被氧化成氧化石墨烯后,表面出现—COOH,—OH等官能团,氧化石墨烯经溶剂热反应,表面的官能团消失,TiO2粒子与石墨烯通过这些基团形成新的化学键而复合在一起,得到新的复合材料[8]。

2.3 红外光谱分析(FT-IR)

图2 石墨烯及G0.5-5-CuO/TiO2的SEM、TEM照片

图3 样品G0.5-5-CuO/TiO2、GO、石墨烯及TiO2的FT-IR图谱

Fig 3 FT-IR patterns of the sample G0.5-5-CuO/TiO2, GO, graphene and TiO2

2.4 紫外-可见漫反射光谱分析(DRS)

图4为样品G0.5-5-CuO/TiO2、5-CuO/TiO2复合半导体及TiO2(P25)的UV-Vis漫反射光谱。

图4 G0.5-5-CuO/TiO2、5-CuO/TiO2及TiO2的UV-Vis漫反射光谱

可以看出,CuO负载TiO2后,可见光区的吸收明显增强,且吸收边有轻度红移,5-CuO/TiO2复合半导体负载石墨烯以后,可见光区的吸收和吸收边的红移均进一步增强,这是因为CuO与TiO2两种半导体的复合,降低了TiO2的禁带宽度,拓宽了TiO2的光响应范围,此外,石墨烯的引入样品的颜色变黑,在可见光区有较强的背景吸收。

2.5 光催化制氢

2.5.1 光催化制氢机理分析

图5为Pt/G-CuO/TiO2在太阳光下分解C2H5OH/H2O溶液产氢机理。光照条件下,TiO2的价带电子被激发到导带,在价带留下大量空穴,由于石墨烯的氧化还原电势(-0.08 eV)[22],低于TiO2导带的氧化还原电势(-0.5 eV)[23],复合材料中石墨烯作为电子的受体,电子在石墨烯二维共轭平面上被转移到Pt上,Pt作为良好的放氢反应催化剂,溶液中游离的H+会在其表面得电子产生H2[24-25]。CuO的价带能级较低,具有比H+/H2更负的电位电势,TiO2导带的光生电子也会向CuO的导带流动,在光催化反应中CuO既可作为电子的受体又是产氢的活性位点[19],H+在CuO的表面得电子生成H2。CuO的禁带宽度较小,对太阳光中的可见光有响应,被激发产生光生电子,而且与TiO2复合可窄化TiO2的禁带宽度,从而有效提高催化剂对太阳光的利用率。以上分析可知,石墨烯优异的导电性能为电子的转移提供了高速通道[26],光生载流子快速从TiO2导带转移到CuO导带和Pt上,TiO2价带留下的大量空穴吸附更多的C2H5OH分子和H2O分子,H2O分子在TiO2的表面空穴作用下去质子化,产生羟基自由基(·OH)、自由电子(e-)和H+。C2H5OH分子在TiO2表面空穴和·OH作用下去质子化,与·OH结合形成过渡态有机物,过渡态有机物不稳定脱水缩合生成CO2(g)、H2O,从催化剂的表面脱附[27-28]。由以上分析可知,C2H5OH分子和H2O分子在催化剂的表面去质子化产生大量的H+,为CuO、Pt上的放氢反应提供了源源不断的“原料”。因此,复合催化剂中CuO与石墨烯产生了共同促进作用,不仅提高了样品对太阳光的利用率,还促使了产氢反应发生[12]。

图5 光催化分解C2H5OH/H2O溶液产氢机理

2.5.2 紫外光下CuO负载量对制氢活性影响

图6为紫外光下CuO/TiO2复合催化剂中CuO的含量光催化产氢活性的影响。由图可以看出,CuO负载TiO2以后,光催化产氢活性增加,其中CuO的最佳负载量为5%(质量分数)。光照5 h后,5-CuO/TiO2复合催化剂的产生量为1 024.80 μmol,为相同条件下P25产氢量(775.50 μmol)的1.32倍。CuO、TiO2两种半导体复合后,在光照条件下,TiO2的光生电子从TiO2的导带向CuO的导带流动,有利于光生电子和空穴的分离,空穴吸附反应液中的H2O分子和C2H5OH分子,促进了产氢反应。

图6 紫外光下CuO含量对产氢量的影响

2.5.3 可见光下石墨烯负载量对制氢活性影响

图7为复合材料中石墨烯的负载量对产氢量的影响。图中可以看出,石墨烯的最佳负载量为0.5%(质量分数),即其产氢活性最高,可见光下反应5 h后,产氢量达到1 083.54 μmol。复合材料中石墨烯的含量较低时,5-CuO/TiO2不能完全负载在石墨烯上,抑制了光生电子的转移,影响了样品的光催化产氢活性;当石墨烯含量较高时,光吸收增强,减弱了5-CuO/TiO2表面光的吸收,光生电子、空穴的数量减少,光催化产氢反应过程中C2H5OH、H2O在催化剂表面的吸附减弱,抑制了产氢反应。因此,复合材料中石墨烯含量为0.5%(质量分数)时产氢活性最高。实验还在相同条件下以TiO2做催化剂,光照反应5 h后,几乎检测不到H2产生,这是因为TiO2对可见光没有响应,但与CuO、石墨烯复合后TiO2的禁带宽度变窄,能被可见光激发,与图4中DRS的结果相一致。

图7 样品Gx-5-CuO/TiO2(x=0,0.1,0.5,2,5)在可见光下的光催化产氢活性

2.5.4 样品在太阳光下的产氢活性

图8为样品G0.5-5-CuO/TiO2、5-CuO/TiO2及TiO2在太阳光下产氢量随时间的变化曲线。光照反应5 h后,样品G0.5-5-CuO/TiO2光催化产氢量达到4 374.51 μmol,远大于相同条件下5-CuO/TiO2(2 243.52 μmol)及P25的产氢量(1 598.25 μmol)。这是因为P25只能对太阳光中的紫外部分有响应,样品G0.5-5-CuO/TiO2中CuO禁带宽度只有1.7 eV,与TiO2复合使催化剂对光的响应范围向可见区发生红移,此外,复合材料中石墨烯、CuO作为助催化剂产生了共同促进作用,进一步提高了TiO2的光催化产氢活性。

图8 样品G0.5-5-CuO/TiO2、5-CuO/TiO2及TiO2在太阳光下的产氢活性

图9为样品G0.5-5-CuO/TiO2、5-CuO/TiO2及TiO2在太阳光下产氢速率变化曲线,图中可以看出,样品G0.5-5-CuO/TiO2的产氢速率始终高于5-CuO/TiO2及TiO2,这是因为CuO、石墨烯的引入提高了TiO2对可见光的响应,有效抑制了电子和空穴的复合,促进了产氢反应。光照4 h后,三者的产氢速率均开始下降,可能是催化剂失活,失活的机理有待进一步研究。

图9 样品G0.5-5-CuO/TiO2、5-CuO/TiO2及TiO2在太阳光下的产氢速率

3 结 论

采用溶剂热法制备了G-CuO/TiO2复合光催化剂,并通过原位光沉积法对其进行Pt负载,研究了其在紫外光、可见光和太阳光下分解C2H5OH/H2O溶液的产氢活性,实验结果表明,CuO、TiO2两种半导体复合拓宽了光响应范围,石墨烯作为催化反应中光生电子的转移通道,明显提高了产氢活性,样品中CuO与石墨烯在产氢过程中产生了共同促进作用,快速转移光生电子,抑制电子和空穴对的复合,促进了光催化产氢反应。光催化分解C2H5OH/H2O溶液制氢技术的发展为处理工业有机废水提供了借鉴,可实现废水中有机污染物降解与制氢双重目标[29],达到“变废为宝”的目的。

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Fabrication and photocatalytic activity for hydrogen evolution of graphene-CuO/TiO2composite photocatalysts

TU Shenghui, HU Yaping, ZHANG Ting,ZHU Minjian, LIANG Haiying,PENG Hailong, DU Jun

(College of Resource Environment and Chemistry Engineering, Nanchang University,Nanchang 330031, China)

Graphene-CuO/TiO2composite catalyst was prepared by and solvent thermal methods. The micromorphology, structure and optical properties of the composite catalysts were characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), fourier transform infrared (FT-IR), UV-Vis diffuse reflectance (DRS). The inorganic precursor of H2PtCl6was used to load Pt. The effects of the content of graphene loading on hydrogen production activity under different irradiation were investigated. The results showed that the photocatalytic activity for hydrogen production was best with the graphene content of 0.5wt%. The co-existence of CuO and graphene could produce a synergistic effect, which could improve the utilization of visible light and further enhance the photocatalytic activity for hydrogen production of decompositing C2H5OH/H2O of TiO2. The hydrogen production was up to 1 083.54 μmol under visible light irradition for 5 h, while its hydrogen production (4 374.51 μmol) was 2.74 times of P25 (1 598.25 μmol) under sunlight irradition for 5 h.

solvent thermal method; photocatalysis; hydrogen production

1001-9731(2016)04-04011-06

国家自然科学基金资助项目(21201098,51162022)

2015-09-20

2015-12-15 通讯作者:涂盛辉,E-mail: tshnc@163.com

涂盛辉 (1964-),男,南昌人,教授,主要从事光催化及纳米材料研究。

O643

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.003

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