Citation: Guo Yu, Li Yanrui, Wang Chengming, Long Ran, Xiong Yujie. Photogenerated Charge Separation and Photocatalytic Hydrogen Production of TiO2/Graphene Composite Materials[J]. Acta Chimica Sinica, 2019, 77(6): 520-524. doi: 10.6023/A19040108
TiO2/石墨烯复合材料的光生电荷分离调控与光催化产氢性能研究
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关键词:
- TiO2纳米片/石墨烯
- / 光生电荷分离
- / 纳米片尺寸
- / 电子迁移
- / 界面
English
Photogenerated Charge Separation and Photocatalytic Hydrogen Production of TiO2/Graphene Composite Materials
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1. 引言
TiO2作为一种半导体, 在光催化领域得到了广泛的研究[1~6]. TiO2价带中的电子被紫外光激发而跃迁至导带上, 产生光生电子-空穴对, 光生电子和空穴分离后可以分别参与不同类型的化学反应.光生电子可以用于分解水产生氢气, 与此同时光生空穴也可以与水相互作用得到大量活性氧物种[7, 8].但同时光生电子和空穴也会发生复合, 与光生电子和空穴的分离产生竞争, 而削弱催化剂的催化性能[9~10].为了减少TiO2中光生电子和空穴的复合从而提高TiO2的催化性能, 研究者们开发了诸多解决方法[11~14], 例如在TiO2中进行掺杂[15~17]、负载量子点或金属助催化剂[11]、与金属氧化物复合[18]以及与碳材料复合等策略[19].
将TiO2与石墨烯复合时, 石墨烯可以捕获TiO2上的光生电子, 提高TiO2的光生电子-空穴分离效率.近年来, 许多研究者对TiO2/石墨烯复合材料进行了研究. Perera等[3]将TiO2纳米线与石墨烯复合, 其复合结构在催化有机物降解方面表现出优异的性能; Zhang等[20]在石墨烯上直接生长TiO2纳米颗粒, 用于催化光解水制氢. Wang等[21]发现TiO2的{001}晶面能够与石墨烯形成新的C—O键, 这为复合结构中的界面电子传输提供了通道.在这些研究中, TiO2的形貌通常是纳米线或纳米颗粒, 与石墨烯结合界面较小.由于石墨烯需要通过与TiO2的结合界面来分离出TiO2中的光生电子, 所以纳米线或纳米颗粒形貌的TiO2与石墨烯复合时不利于石墨烯充分发挥分离光生电子的作用.针对此情况, Gu等[22]选用TiO2纳米片与石墨烯复合, 使复合材料的催化性能得到了极大的提高.但目前还缺乏关于调控光生电荷分离对TiO2/石墨烯复合结构光催化性能影响的研究.
本文通过控制TiO2纳米片的尺寸来调控TiO2/石墨烯复合材料中光生电荷的分离, 研究了其对复合结构光催化性能的影响, 证明了减小TiO2纳米片的厚度可以促进TiO2/石墨烯复合材料中光生电荷的分离, 从而使复合材料的光催化性能显著提高.
2. 结果与讨论
2.1 TiO2纳米片的形貌和尺寸
文献报道可以利用F-选择性吸附在TiO2{001}晶面的特性, 在合成TiO2时加入HF, 获得了{001}晶面比例较高的TiO2纳米片[23].通过调整该方案, 在合成TiO2纳米片时分别加入不同量的HF溶液(2.5 mL、3.0 mL、4.0 mL和5.0 mL), 获得了不同尺寸的TiO2纳米片, 分别命名为TiO2(2.5)、TiO2(3.0)、TiO2(4.0)和TiO2(5.0).从图 1的TEM照片可以看出, 随着加入的HF增加, TiO2纳米片的横向尺寸变大, 即{001}晶面尺寸增大.根据TEM照片统计得到的TiO2(2.5)、TiO2(3.0)、TiO2(4.0)和TiO2(5.0)纳米片的平均横向尺寸分别为30.2 nm、68.8 nm、89.2 nm和189.0 nm.在TiO2(2.5)和TiO2(3.0)纳米片的TEM照片中可以看到部分纳米片竖立, 其暴露的晶面为{101}晶面.
图 1
图 1. (a) TiO2(2.5), (b) TiO2(3.0), (c) TiO2(4.0), (d) TiO2(5.0)纳米片的TEM照片Figure 1. TEM images of (a) TiO2(2.5), (b) TiO2(3.0), (c) TiO2(4.0) and (d) TiO2(5.0) nanosheets由于TiO2(2.5)纳米片比较厚, 在其TEM表征中找到大量竖立的纳米片, 如图 2a所示.因此, 可以直接通过其TEM照片统计出其平均厚度为7.0 nm.而TiO2(3.0)、TiO2(4.0)和TiO2(5.0)纳米片的厚度需要利用原子力显微镜(AFM)来表征, 如图 2b、2c和2d所示, 其厚度分别为6.3 nm、3.9 nm和2.1 nm.这表明在合成TiO2纳米片时, 增加HF的用量可以减小TiO2纳米片厚度, 增大{001}晶面尺寸.
图 2
经过计算(见Supporting Information), 可以得到四种TiO2纳米片的{001}晶面所占比例、比表面积以及{001}晶面面积.如表 1所示, 四种TiO2纳米片的{001}晶面面积分别为59.9、76.2、123.1和231.3 cm2•g-1, 比例约为1:1.3:2.1:3.8.
表 1
TiO2纳米片 横向尺寸(nm) 厚度(nm) 比表面积(cm2•g-1) {001}晶面比例(%) {001}晶面面积(cm2•g-1) TiO2(2.5) 30.2 7.0 95.1 63 59.9 TiO2(3.0) 68.8 6.3 108.6 70 76.2 TiO2(4.0) 89.2 3.9 139.9 88 123.1 TiO2(5.0) 189.0 2.1 246.1 94 231.3 2.2 TiO2/石墨烯复合结构的合成与表征
基于上述合成, 将不同尺寸的TiO2纳米片与氧化石墨烯(GO)复合.在本研究中, 四种不同TiO2纳米片的复合材料中TiO2质量相同.由于四种TiO2纳米片的{001}晶面面积不同, 而石墨烯主要与TiO2纳米片的{001}晶面结合, 所以需要调整氧化石墨烯的用量使其分别与四种TiO2纳米片的{001}晶面面积成相同比例, 从而使得四种TiO2纳米片与氧化石墨烯接触程度相同.由前面结果可知, 四种TiO2纳米片的{001}晶面面积之比为1:1.3:2.1:3.8.因此, 对于相同质量的四种TiO2纳米片, 与之复合的氧化石墨烯的质量之比为1:1.3:2.1:3.8.四种TiO2/GO的形貌如图 3所示, 可以看出TiO2纳米片基本都与石墨烯结合, 而很少有孤立的TiO2纳米片.
图 3
该合成过程先将TiO2纳米片与氧化石墨烯复合, 再进行氧化石墨烯的还原.这是因为氧化石墨烯在水中的分散性较好, 有利于其与TiO2在水中充分混合, 同时氧化石墨烯上的大量含氧基团能够促进氧化石墨烯与TiO2之间的结合.图 4a为TiO2/GO的傅里叶变换红外光谱(FTIR), 3407 cm-1处的峰为O—H键的伸缩振动峰, 1633 cm-1处的峰为石墨烯的特有C=C键振动信号, 457 cm-1处为TiO2的Ti—O—Ti键的振动信号, 1233 cm-1处为Ti—O—C键的振动信号, 表明TiO2与GO之间形成了化学键[24~26], 这有利于TiO2和后续还原石墨烯之间的电子转移.图 4b为TiO2/GO复合材料的拉曼光谱, 图中D峰(1340 cm-1)和G峰(1581 cm-1)为氧化石墨烯的两个特征峰, G峰为sp2杂化的碳原子的面内振动信号, D峰是sp3杂化的碳原子信号[27], Eg、B1g、A1g和E1g峰为TiO2的特征峰[28].由于氧化石墨烯的电子迁移率较低, 不利于催化剂催化时的电子迁移, 所以利用NaBH4将TiO2/GO中的氧化石墨烯进行还原[29], 得到TiO2/还原石墨烯(rGO)样品.
图 4
2.3 TiO2/石墨烯的光催化产氢性能以及反应机理
基于上述所得材料, 进而研究了四种TiO2/rGO复合材料的光催化产氢性能, 使用三乙醇胺(TEOA)为牺牲剂.在对催化剂进行定量时, 先确定四种TiO2纳米片质量相同(10 mg), 对应的TiO2(2.5)/rGO、TiO2(3.0)/ rGO、TiO2(4.0)/rGO和TiO2(5.0)/rGO的质量分别为11.0 mg、11.3 mg、12.1 mg和13.8 mg.图 5a展示了四种TiO2/rGO样品的光催化产氢速率, 可以看出TiO2(2.5)/rGO、TiO2(3.0)/rGO、TiO2(4.0)/rGO和TiO2(5.0)/rGO样品的光催化产氢活性依次增加, TiO2厚度最小的TiO2(5.0)/rGO样品的光催化产氢速率为664.3 μmol•g-1•h-1, 是TiO2厚度最大的TiO2(2.5)/rGO样品的13倍.基于以上研究, 进而分别在四种TiO2/rGO上利用光沉积负载Pt纳米颗粒, 得到TiO2/rGO-Pt, 用于光催化产氢, 其催化活性也体现了相同的变化规律(如图S2所示).
图 5
为了研究TiO2/rGO复合材料的光催化反应机理, 四种TiO2被分别用于光催化产氢实验, 不同于TiO2/rGO的催化活性变化规律, TiO2(2.5)、TiO2(3.0)、TiO2(4.0)和TiO2(5.0)的光催化产氢速率呈现出先增后减的变化趋势(如图 5b), 其中TiO2(3.0)的光催化产氢速率最高, 为47.4 μmol•g-1•h-1.这主要是由于单一TiO2进行光催化产氢时, 其光生电子迁移路径不同, TiO2纳米片上的{001}晶面和{101}晶面可构成晶面异质结[30~32], 驱动光生电子从{001}晶面向{101}晶面迁移.在此情况下, 其中某一晶面比例过高或过低时都会降低晶面异质结的驱动力; 只有当两种晶面比例适中时, TiO2纳米片的催化活性达到最高[33].进而在TiO2/rGO复合结构中, 通过TiO2与石墨烯界面处C—O键[21], 光生电子能够传递给石墨烯, 形成电子与空穴的有效分离.与单纯的TiO2相比, TiO2/rGO复合结构的光电流得到了明显的提升(如图S3所示), 这表明了复合结构中电子空穴对的分离效率确实得到了有效提升.
通过将TiO2/rGO与单一TiO2的催化活性变化规律进行比较, 可以推断出相应的光催化机制. TiO2/rGO进行光催化时, 其中的光生电子不需要从{001}晶面迁移到{010}晶面, 而是沿片层厚度方向穿过TiO2到达石墨烯上参与催化反应(如图 6所示).基于此机制, TiO2纳米片的厚度会直接影响其复合结构的光催化性能.由于TiO2纳米片的厚度差异, 四种TiO2/rGO样品具有不同的比表面积和TiO2/rGO界面面积, 对光生电荷产生与分离都会产生影响.
图 6
对于相同质量的TiO2纳米片, 厚度越小时, 比表面积越大, TiO2与rGO之间的界面面积也越大. TiO2纳米片的比表面积越大, 其光响应面积越大, 产生的光生电子-空穴对越多. TiO2纳米片与石墨烯接触的表面产生的光生电子可以直接通过界面到达石墨烯上, 但其另一表面产生的光生电子则需沿纳米片厚度方向穿过纳米片才能到达石墨烯. TiO2纳米片越薄, 此过程中光生电子和空穴复合的几率越低, 即光生电子和空穴能够更有效地分离.对于界面面积更大的TiO2/rGO复合材料, 电子迁移到石墨烯上的效率更高, 有利于石墨烯从TiO2纳米片分离出光生电子.因此, 厚度更小的TiO2纳米片与石墨烯复合时, 光生电荷能够更有效地分离, 因而其光催化活性更高.此研究结果表明, 可以通过控制TiO2纳米片的尺寸来调控TiO2/石墨烯复合材料中光生电荷的分离, 从而提高TiO2/石墨烯复合材料的光催化性能.
3. 结论
本文发展了一种通过TiO2纳米片与石墨烯复合来调控光生电荷分离的思路. TiO2纳米片上的光生电子需要穿过TiO2片层到达石墨烯, 所以随着TiO2纳米片厚度减小, TiO2的光生电子在迁移过程中与光生空穴复合的概率降低, 即光生电子和空穴能够更有效地分离, 使到达石墨烯的光生电子增加.与此同时, 当TiO2厚度减小时, 其比表面积和光响应面积增大, 从而能够产生更多的光生电子-空穴对, TiO2与石墨烯之间的界面面积也增大, 使石墨烯从TiO2纳米片中分离出光生电子的效率更高.因此, 当TiO2纳米片厚度减小时, 其与石墨烯复合形成的催化剂的光催化性能显著提高.此研究表明通过控制TiO2纳米片的尺寸, 可以调控TiO2/石墨烯复合材料中光生电荷的分离效率, 是显著提高其光催化性能的有效途径.
4. 实验部分
4.1 材料制备
4.1.1 不同厚度的TiO2纳米片的制备
在50 mL的聚四氟乙烯瓶中加入25 mL钛酸异丙酯, 然后分别加入2.5 mL、3 mL、4 mL和5 mL氢氟酸, 搅拌30 min, 用不锈钢水热釜壳封装, 移入烘箱, 180 ℃保持24 h, 合成的TiO2分别命名为TiO2(2.5)、TiO2(3.0)、TiO2(4.0)和TiO2(5.0).冷却后, 将样品离心, 用去离子水和乙醇多次洗涤, 放置于真空干燥箱60 ℃过夜干燥.将干燥的样品在空气中, 550 ℃热处理2 h, 以去除合成过程中吸附在TiO2表面的氟离子.
4.1.2 TiO2纳米片/还原石墨烯(rGO)的制备
分别称取10 mg四种TiO2纳米片, 加入到20 mL去离子水中, 超声使其分散均匀.分别加入1.0 mg、1.3 mg、2.1 mg和3.8 mg氧化石墨烯, 超声1 h, 使TiO2纳米片与氧化石墨烯充分接触, 然后移入聚四氟乙烯水热釜中, 置于烘箱, 120 ℃保持2 h, 得到TiO2/GO样品.待样品冷却至室温后, 将其离心, 水洗多次, 然后加入10 mL NaBH4水溶液(0.5 mol/L)将氧化石墨烯还原, 得到还原的氧化石墨烯(rGO).
4.2 光催化产氢性能测试
进行光催化产氢性能测试时, 分别称取11.0 mg、11.3 mg、12.1 mg和13.8 mg的TiO2(2.5)/rGO、TiO2(3.0)/rGO、TiO2(4.0)/rGO和TiO2(5.0)/rGO.将催化剂分散在三乙醇胺的水溶液(5 mL, 10 vol%三乙醇胺)中, 测试之前向溶液中通Ar 0.5 h以除去溶液中溶解的氧.用氙灯(柏菲莱Solaredge 700)全谱光照射4 h, 利用气相色谱(GC, 7890A, Agilent, TCD检测器, Ar作为载气)确定氢气产量.
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-
[1]
Chiu, W. H.; Lee, K. M.; Hsieh, W. F. J. Power Sources 2011, 196, 3683. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.12.063
-
[2]
Zhang, Y. H.; Tang, Z. R.; Fu, X. Z.; Xu, Y. J. ACS Nano 2010, 4, 7303. doi: 10.1021/nn1024219
-
[3]
Perera, S. D.; Mariano, R. G.; Vu, K.; Nour, N.; Seitz, O.; Chabal, Y.; Balkus, K. J. ACS Catal. 2012, 2, 949. doi: 10.1021/cs200621c
-
[4]
Wang, G. M.; Wang, H. Y.; Ling, Y. C.; Tang, Y. C.; Yang, X. Y.; Fitzmorris, R. C.; Wang, C. C.; Zhang, J. Z.; Li, Y. Nano Lett. 2011, 11, 3026. doi: 10.1021/nl201766h
-
[5]
Wang, D. H.; Choi, D. W.; Li, J.; Yang, Z. G.; Nie, Z. M.; Kou, R.; Hu, D. H.; Wang, C. M.; Saraf, L. V.; Zhang, J. G.; Aksay, I. A.; Liu, J. ACS Nano 2009, 3, 907. doi: 10.1021/nn900150y
-
[6]
楚婉怡, 唐笑, 李振, 林景诚, 钱觉时, 化学学报, 2018, 76, 549. http://sioc-journal.cn/Jwk_hxxb/CN/abstract/abstract346597.shtmlChu, W. Y.; Tang, X.; Li, Z.; Lin, J. C.; Qian, J. S. Acta Chim. Sinica 2018, 76, 549(in Chinese). http://sioc-journal.cn/Jwk_hxxb/CN/abstract/abstract346597.shtml
-
[7]
Konaka, R.; Kasahara, E.; Dunlap, W. C.; Yamamoto, Y.; Chien, K. C.; Inoue, M. Free Radical Bio. Med. 1999, 27, 294. doi: 10.1016/S0891-5849(99)00050-7
-
[8]
Miljevic, M.; Geiseler, B.; Bergfeldt, T.; Bockstaller, P.; Fruk, L. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 907. doi: 10.1002/adfm.v24.7
-
[9]
Shang, L.; Tong, B. A.; Yu, H. J.; Waterhouse, G. I. N.; Zhou, C.; Zhao, Y. F.; Tahir, M.; Wu, L. Z.; Tung, C. H.; Zhang, T. R. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1501241. doi: 10.1002/aenm.201501241
-
[10]
An, X. H.; Wang, Y.; Lin, J. J.; Shen, J. N.; Zhang, Z. Z.; Wang, X. X. Sci. Bull. 2017, 62, 599. doi: 10.1016/j.scib.2017.03.025
-
[11]
Jin, Q. L.; Fujishima, M.; Tada, H. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 6478. doi: 10.1021/jp201131t
-
[12]
Ratanatawanate, C.; Xiong, C. R.; Balkus, K. J. ACS Nano 2008, 2, 1682. doi: 10.1021/nn800141e
-
[13]
Lee, H.; Leventis, H. C.; Moon, S. J.; Chen, P.; Ito, S.; Haque, S. A.; Torres, T.; Nuesch, F.; Geiger, T.; Zakeeruddin, S. M.; Gratzel, M.; Nazeeruddin, M. K. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2735. doi: 10.1002/adfm.v19:17
-
[14]
Asahi, R.; Morikawa, T.; Ohwaki, T.; Aoki, K.; Taga, Y. Science 2001, 293, 269. doi: 10.1126/science.1061051
-
[15]
Hirakawa, T.; Kamat, P. V. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3928. doi: 10.1021/ja042925a
-
[16]
许辰宇, 林伽毅, 潘富强, 邓博文, 王智化, 周俊虎, 陈云, 马京程, 顾志恩, 张彦威, 化学学报, 2017, 75, 699. doi: 10.11862/CJIC.2017.051Xu, C. Y.; Lin, J. Y.; Pan, F. Q.; Deng, B. W.; Wang, Z. H.; Zhou, J. H.; Chen, Y.; Ma, J. C.; Gu, Z. E.; Zhang, Y. W. Acta Chim. Sinica 2017, 75, 699(in Chinese). doi: 10.11862/CJIC.2017.051
-
[17]
Du, P. J.; Su, T. M.; Luo, X.; Zhou, X. T.; Qin, Z. Z.; Ji, H. B.; Chen, J. H. Chinese J. Chem. 2018, 36, 538. doi: 10.1002/cjoc.v36.6
-
[18]
Subramanian, V.; Wolf, E.; Kamat, P. V. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 11439. doi: 10.1021/jp011118k
-
[19]
Yen, C. Y.; Lin, Y. F.; Hung, C. H.; Tseng, Y. H.; Ma, C. C.; Chang, M. C.; Shao, H. Nanotechnology 2008, 19.
-
[20]
Zhang, X. Y.; Li, H. P.; Cui, X. L.; Lin, Y. H. J. Mater. Chem. 2010, 20, 2801. doi: 10.1039/b917240h
-
[21]
Yang, N.; Liu, Y.; Wen, H.; Tang, Z.; Zhao, H.; Li, Y.; Wang, D. ACS Nano 2013, 7, 1504. doi: 10.1021/nn305288z
-
[22]
Gu, L. A.; Wang, J. Y.; Cheng, H.; Zhao, Y. Z.; Liu, L. F.; Han, X. J. ACS Appl. Mater. Inter. 2013, 5, 3085. doi: 10.1021/am303274t
-
[23]
Yang, H. G.; Sun, C. H.; Qiao, S. Z.; Zou, J.; Liu, G.; Smith, S. C.; Cheng, H. M.; Lu, G. Q. Nature 2008, 453, 638. doi: 10.1038/nature06964
-
[24]
Sun, L.; Zhao, Z. L.; Zhou, Y. C.; Liu, L. Nanoscale 2012, 4, 613. doi: 10.1039/C1NR11411E
-
[25]
Shah, M. S. A. S.; Park, A. R.; Zhang, K.; Park, J. H.; Yoo, P. J. ACS Appl. Mater. Inter. 2012, 4, 3893. doi: 10.1021/am301287m
-
[26]
Zhu, C. Z.; Guo, S. J.; Wang, P.; Xing, L.; Fang, Y. X.; Zhai, Y. M.; Dong, S. J. Chem. Commnu. 2010, 46, 7148. doi: 10.1039/c0cc01459a
-
[27]
Zhang, W. X.; Cui, J. C.; Tao, C. A.; Wu, Y. G.; Li, Z. P.; Ma, L.; Wen, Y. Q.; Li, G. T. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 5864. doi: 10.1002/anie.v48:32
-
[28]
Ni, Z. H.; Wang, Y. Y.; Yu, T.; Shen, Z. X. Nano Res. 2008, 1, 273. doi: 10.1007/s12274-008-8036-1
-
[29]
Liang, Y. Y.; Wang, H. L.; Casalongue, H. S.; Chen, Z.; Dai, H. J. Nano Res. 2010, 3, 701. doi: 10.1007/s12274-010-0033-5
-
[30]
Pan, J.; Liu, G.; Lu, G. M.; Cheng, H. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2133. doi: 10.1002/anie.v50.9
-
[31]
Selloni, A. Nat. Mater. 2008, 7, 613. doi: 10.1038/nmat2241
-
[32]
Liu, S. W.; Yu, J. G.; Jaroniec, M. Chem. Mater. 2011, 23, 4085. doi: 10.1021/cm200597m
-
[33]
Klepser, B. M.; Bartlett, B. M. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1694. doi: 10.1021/ja4086808
-
[1]
-
表 1 四种TiO2纳米片的结构信息
Table 1. Structural information of TiO2 nanosheets
TiO2纳米片 横向尺寸(nm) 厚度(nm) 比表面积(cm2•g-1) {001}晶面比例(%) {001}晶面面积(cm2•g-1) TiO2(2.5) 30.2 7.0 95.1 63 59.9 TiO2(3.0) 68.8 6.3 108.6 70 76.2 TiO2(4.0) 89.2 3.9 139.9 88 123.1 TiO2(5.0) 189.0 2.1 246.1 94 231.3 -
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