FeO(OH)-TiO2/CoPi复合光阳极的制备及其光电催化氧化水性能

金涛 许頔 刁鹏 项民

引用本文: 金涛, 许頔, 刁鹏, 项民. FeO(OH)-TiO2/CoPi复合光阳极的制备及其光电催化氧化水性能[J]. 物理化学学报, 2012, 28(10): 2276-2284. doi: 10.3866/PKU.WHXB201209101 shu
Citation:  JIN Tao, XU Di, DIAO Peng, XIANG Min. Preparation and Photoelectrocatalytic Water Oxidation Properties of FeO(OH)-TiO2/CoPi Composite Photoanodes[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2012, 28(10): 2276-2284. doi: 10.3866/PKU.WHXB201209101 shu

FeO(OH)-TiO2/CoPi复合光阳极的制备及其光电催化氧化水性能

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(20973020, 21173016) (20973020, 21173016)

    高等学校博士学科点基金(20101102110002) (20101102110002)

    新世纪人才支持计划(NCET-08-0034)资助项目 (NCET-08-0034)

摘要:

采用溶胶-凝胶法制备了TiO2 纳米晶, 并通过浸渍技术在其表面引入了FeO(OH). 采用紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱确定了引入FeO(OH)的最佳Fe3+浓度. 通过电化学法在FeO(OH)-TiO2光阳极上沉积了催化水分解制备氧气的钴基催化剂(CoPi), 得到了FeO(OH)-TiO2/CoPi 复合光阳极. 利用透射电镜(TEM), 高分辨透射电镜(HRTEM), X射线衍射(XRD), 扫描电镜(SEM)对TiO2纳米晶, FeO(OH)-TiO2以及FeO(OH)-TiO2/CoPi复合光阳极进行了表征, 采用电化学和光电化学技术研究了中性条件下FeO(OH)-TiO2/CoPi 复合光阳极的光电催化分解水性能. 结果表明, TiO2纳米晶为梭形的锐钛矿, 其表面修饰的FeO(OH)为针铁矿型, 且当前驱体溶液中Fe3+与TiO2的质量比为0.05%时得到的FeO(OH)-TiO2具有最佳的光吸收效果. 形成FeO(OH)-TiO2/CoPi复合光阳极后, 在光照条件下CoPi 电催化分解水制备氧气的过电位显著降低. TiO2表面FeO(OH)的引入增加了光阳极对可见光的吸收能力, 同时光阳极表面沉积的CoPi有效地利用了FeO(OH)-TiO2产生的光生空穴, 将水氧化形成氧气, 从而在光照条件下显著提高了CoPi催化氧化水的效率.

English

    1. [1]

      (1) Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37. doi: 10.1038/238037a0

      (1) Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37. doi: 10.1038/238037a0

    2. [2]

      (2) Jang, J. S.; Kim, H. G.; Joshi, U. A.; Jang, J.W.; Lee, J. S. Int. J. Hydrog. Energy 2008, 33, 5975. doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.07.105(2) Jang, J. S.; Kim, H. G.; Joshi, U. A.; Jang, J.W.; Lee, J. S. Int. J. Hydrog. Energy 2008, 33, 5975. doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.07.105

    3. [3]

      (3) Dholam, R.; Patel, N.; Adami, M.; Miotello, A. Int. J. Hydrog. Energy 2009, 34, 5337. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.05.011(3) Dholam, R.; Patel, N.; Adami, M.; Miotello, A. Int. J. Hydrog. Energy 2009, 34, 5337. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.05.011

    4. [4]

      (4) Shankar, K.; Basham, J. I.; Allam, N. K.; Varghese, O. K.; Mor,G. K.; Feng, X.; Paulose, M.; Seabold, J. A.; Choi, K. S.;Grimes, C. A. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 6327. doi: 10.1021/jp809385x(4) Shankar, K.; Basham, J. I.; Allam, N. K.; Varghese, O. K.; Mor,G. K.; Feng, X.; Paulose, M.; Seabold, J. A.; Choi, K. S.;Grimes, C. A. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 6327. doi: 10.1021/jp809385x

    5. [5]

      (5) Liu, F. S.; Ji, R.;Wu, M.; Sun, Y. M. Acta Phys. -Chim. Sin.2007, 23, 1899. [刘福生, 吉仁, 吴敏, 孙岳明. 物理化学学报, 2007, 23, 1899.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20071213(5) Liu, F. S.; Ji, R.;Wu, M.; Sun, Y. M. Acta Phys. -Chim. Sin.2007, 23, 1899. [刘福生, 吉仁, 吴敏, 孙岳明. 物理化学学报, 2007, 23, 1899.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20071213

    6. [6]

      (6) Li, H. L. Luo,W. L.; Chen, T.; Tian,W. Y.; Sun, M.; Li, C.; Zhu,D.; Liu, R. R.; Zhao, Y. L.; Liu, C. L. Acta Phys. -Chim. Sin.2008, 24, 1383. [李海龙, 罗武林, 陈涛, 田文宇, 孙茂,黎春, 朱地, 刘冉冉, 赵宇亮, 刘春立. 物理化学学报,2008, 24, 1383.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20080810(6) Li, H. L. Luo,W. L.; Chen, T.; Tian,W. Y.; Sun, M.; Li, C.; Zhu,D.; Liu, R. R.; Zhao, Y. L.; Liu, C. L. Acta Phys. -Chim. Sin.2008, 24, 1383. [李海龙, 罗武林, 陈涛, 田文宇, 孙茂,黎春, 朱地, 刘冉冉, 赵宇亮, 刘春立. 物理化学学报,2008, 24, 1383.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20080810

    7. [7]

      (7) Asahi, R.; Morikawa, T.; Ohwaki, T.; Aoki, K.; Taga, Y. Science2001, 293, 269. doi: 10.1126/science.1061051(7) Asahi, R.; Morikawa, T.; Ohwaki, T.; Aoki, K.; Taga, Y. Science2001, 293, 269. doi: 10.1126/science.1061051

    8. [8]

      (8) ng, J.; Lai, Y.; Lin, C. Electrochimica Acta 2010, 55, 4776.doi: 10.1016/j.electacta.2010.03.055(8) ng, J.; Lai, Y.; Lin, C. Electrochimica Acta 2010, 55, 4776.doi: 10.1016/j.electacta.2010.03.055

    9. [9]

      (9) Fei, H.; Yang, Y.; Ro w, D. L.; Fan, X.; Oliver, S. R. J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2010, 2, 974. doi: 10.1021/am100087b(9) Fei, H.; Yang, Y.; Ro w, D. L.; Fan, X.; Oliver, S. R. J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2010, 2, 974. doi: 10.1021/am100087b

    10. [10]

      (10) Zhang, Z.; Hossain, M. F.; Takahashi, T. Int. J. Hydrog. Energy2010, 35, 8528. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.03.032(10) Zhang, Z.; Hossain, M. F.; Takahashi, T. Int. J. Hydrog. Energy2010, 35, 8528. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.03.032

    11. [11]

      (11) Ni, M.; Leung, M. K. H.; Leung, D. Y. C.; Sumathy, K. Renew. Sust. Energ. Rev. 2007, 11, 401. doi: 10.1016/j.rser.2005.01.009(11) Ni, M.; Leung, M. K. H.; Leung, D. Y. C.; Sumathy, K. Renew. Sust. Energ. Rev. 2007, 11, 401. doi: 10.1016/j.rser.2005.01.009

    12. [12]

      (12) Liu, M.; Qiu, X.; Miyauchi, M.; Hashimoto, K. Chem. Mater.2011, 23, 5282. doi: 10.1021/cm203025b(12) Liu, M.; Qiu, X.; Miyauchi, M.; Hashimoto, K. Chem. Mater.2011, 23, 5282. doi: 10.1021/cm203025b

    13. [13]

      (13) Yu, H.; Irie, H.; Shimodaira, Y.; Hosogi, Y.; Kuroda, Y.;Miyauchi, M.; Hashimoto, K. J. Phys. Chem. C 2010, 114,16481. doi: 10.1021/jp1071956(13) Yu, H.; Irie, H.; Shimodaira, Y.; Hosogi, Y.; Kuroda, Y.;Miyauchi, M.; Hashimoto, K. J. Phys. Chem. C 2010, 114,16481. doi: 10.1021/jp1071956

    14. [14]

      (14) Irie, H.; Shibanuma, T.; Kamiya, K.; Miura, S.; Yokoyama, T.;Hashimoto, K. App. Catal. B: Environ. 2010, 96, 142.(14) Irie, H.; Shibanuma, T.; Kamiya, K.; Miura, S.; Yokoyama, T.;Hashimoto, K. App. Catal. B: Environ. 2010, 96, 142.

    15. [15]

      (15) Irie, H.; Kamiya, K.; Shibanuma, T.; Miura, S.; Tryk, D. A.;Yokoyama, T.; Hashimoto, K. J. Phys. Chem. C 2009, 113,10761. doi: 10.1021/jp903063z(15) Irie, H.; Kamiya, K.; Shibanuma, T.; Miura, S.; Tryk, D. A.;Yokoyama, T.; Hashimoto, K. J. Phys. Chem. C 2009, 113,10761. doi: 10.1021/jp903063z

    16. [16]

      (16) Nakamura, R.; Okamoto, A.; Osawa, H.; Irie, H.; Hashimoto, K.J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 9596. doi: 10.1021/ja073668n(16) Nakamura, R.; Okamoto, A.; Osawa, H.; Irie, H.; Hashimoto, K.J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 9596. doi: 10.1021/ja073668n

    17. [17]

      (17) Luo, D. C;. Zhang, L. L.; Long, H. J.; Chen, Y. M.; Cao, Y. A.Acta Phys. -Chim. Sin. 2008, 24, 1095. [罗大超, 张兰兰, 龙绘锦, 陈咏梅, 曹亚安. 物理化学学报, 2008, 24, 1095.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20080632(17) Luo, D. C;. Zhang, L. L.; Long, H. J.; Chen, Y. M.; Cao, Y. A.Acta Phys. -Chim. Sin. 2008, 24, 1095. [罗大超, 张兰兰, 龙绘锦, 陈咏梅, 曹亚安. 物理化学学报, 2008, 24, 1095.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20080632

    18. [18]

      (18) Kanan, M.W.; Nocera, D. G. Science 2008, 321, 1072. doi: 10.1126/science.1162018(18) Kanan, M.W.; Nocera, D. G. Science 2008, 321, 1072. doi: 10.1126/science.1162018

    19. [19]

      (19) Surendranath, Y.; Kanan, M.W.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 16501. doi: 10.1021/ja106102b(19) Surendranath, Y.; Kanan, M.W.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 16501. doi: 10.1021/ja106102b

    20. [20]

      (20) Gerken, J. B.; McAlpin, J. G.; Chen, J. Y. C.; Rigsby, M. L.;Casey,W. H.; Britt, R. D.; Stahl, S. S. J. Am. Chem. Soc. 2011,133, 14431. doi: 10.1021/ja205647m(20) Gerken, J. B.; McAlpin, J. G.; Chen, J. Y. C.; Rigsby, M. L.;Casey,W. H.; Britt, R. D.; Stahl, S. S. J. Am. Chem. Soc. 2011,133, 14431. doi: 10.1021/ja205647m

    21. [21]

      (21) Steinmiller, E. M. P.; Choi, K. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.2009, 106, 20633. doi: 10.1073/pnas.0910203106(21) Steinmiller, E. M. P.; Choi, K. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.2009, 106, 20633. doi: 10.1073/pnas.0910203106

    22. [22]

      (22) Barroso, M.; Cowan, A. J.; Pendlebury, S. R.; Grätzel, M.; Klug,D. R.; Durrant, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14868. doi: 10.1021/ja205325v(22) Barroso, M.; Cowan, A. J.; Pendlebury, S. R.; Grätzel, M.; Klug,D. R.; Durrant, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14868. doi: 10.1021/ja205325v

    23. [23]

      (23) Zhong, D. K.; Gamelin, D. R. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132,4202. doi: 10.1021/ja908730h(23) Zhong, D. K.; Gamelin, D. R. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132,4202. doi: 10.1021/ja908730h

    24. [24]

      (24) Zhong, D. K.; Sun, J.; Inumaru, H.; Gamelin, D. R. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6086. doi: 10.1021/ja9016478(24) Zhong, D. K.; Sun, J.; Inumaru, H.; Gamelin, D. R. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6086. doi: 10.1021/ja9016478

    25. [25]

      (25) Abdi, F. F.; van de Krol, R. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 9398.(25) Abdi, F. F.; van de Krol, R. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 9398.

    26. [26]

      (26) Zhong, D. K.; Choi, S.; Gamelin, D. R. J. Am. Chem. Soc. 2011,133, 18370. doi: 10.1021/ja207348x(26) Zhong, D. K.; Choi, S.; Gamelin, D. R. J. Am. Chem. Soc. 2011,133, 18370. doi: 10.1021/ja207348x

    27. [27]

      (27) Jeon, T. H.; Choi,W.; Park, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011,13, 21392.(27) Jeon, T. H.; Choi,W.; Park, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011,13, 21392.

    28. [28]

      (28) Seabold, J. A.; Choi, K. S. Chem. Mater. 2011, 23, 1105. doi: 10.1021/cm1019469(28) Seabold, J. A.; Choi, K. S. Chem. Mater. 2011, 23, 1105. doi: 10.1021/cm1019469

    29. [29]

      (29) Sugimoto, T.; Zhou, X.; Muramatsu, A. J. Colloid Interface Sci.2003, 259, 43. doi: 10.1016/S0021-9797(03)00036-5(29) Sugimoto, T.; Zhou, X.; Muramatsu, A. J. Colloid Interface Sci.2003, 259, 43. doi: 10.1016/S0021-9797(03)00036-5

    30. [30]

      (30) Sugimoto, T.; Zhou, X.; Muramatsu, A. J. Colloid Interface Sci.2003, 259, 53. doi: 10.1016/S0021-9797(03)00035-3(30) Sugimoto, T.; Zhou, X.; Muramatsu, A. J. Colloid Interface Sci.2003, 259, 53. doi: 10.1016/S0021-9797(03)00035-3

    31. [31]

      (31) Zhong, D. K.; Cornuz, M.; Sivula, K.; Grätzel, M.; Gamelin, D.R. Energy & Environmental Science 2011, 4, 1759. doi: 10.1039/c1ee01034d(31) Zhong, D. K.; Cornuz, M.; Sivula, K.; Grätzel, M.; Gamelin, D.R. Energy & Environmental Science 2011, 4, 1759. doi: 10.1039/c1ee01034d

    32. [32]

      (32) Chen, Y.; He, X.; Zhao, X.; Yuan, Q.; Gu, X. J. Colloid Interface Sci. 2007, 310, 171. doi: 10.1016/j.jcis.2007.01.046(32) Chen, Y.; He, X.; Zhao, X.; Yuan, Q.; Gu, X. J. Colloid Interface Sci. 2007, 310, 171. doi: 10.1016/j.jcis.2007.01.046

    33. [33]

      (33) Klahr, B.; Gimenez, S.; Fabregat-Santia , F.; Hamann, T.;Bisquert, J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4294. doi: 10.1021/ja210755h

      (33) Klahr, B.; Gimenez, S.; Fabregat-Santia , F.; Hamann, T.;Bisquert, J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4294. doi: 10.1021/ja210755h

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1095
  • 文章访问数:  2590
  • HTML全文浏览量:  45
文章相关
  • 发布日期:  2012-09-26
  • 收稿日期:  2012-07-04
  • 网络出版日期:  2012-09-10
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章