NiS2助剂修饰g-C3N4光催化剂的简易合成及光催化制氢性能增强研究

陈峰 ,  杨慧 ,  王雪飞 ,  余火根

引用本文: 陈峰,  杨慧,  王雪飞,  余火根. NiS2助剂修饰g-C3N4光催化剂的简易合成及光催化制氢性能增强研究[J]. 催化学报, 2017, 38(2): 296-304. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62554-8 shu
Citation:  Feng Chen,  Hui Yang,  Xuefei Wang,  Huogen Yu. Facile synthesis and enhanced photocatalytic H2-evolution performance of NiS2-modified g-C3N4 photocatalysts[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(2): 296-304. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62554-8 shu

NiS2助剂修饰g-C3N4光催化剂的简易合成及光催化制氢性能增强研究

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21277107,21477094,51672203,51472192);新世纪优秀人才计划(NCET-13-0944);中央高校基础研究基金(WUT2015IB002).

摘要: g-C3N4是一种新型的稳定的半导体光催化材料,它可以通过热缩聚法、固相反应法、电化学沉积法和溶剂热法等制备.g-C3N4禁带宽度约为2.7 eV,吸收边在460 nm左右,具有合适的导带位置,可用作可见光响应制氢的光催化材料,但在实际应用中g-C3N4光催化性能较低,其原因可归纳为:(1)g-C3N4在吸收光子产生电子和空穴对后,光生载流子的传输速率较慢,容易在体相或表面复合,致使g-C3N4的量子效率较低;(2)材料在合成过程中易于结块,使g-C3N4的比表面积远小于理论值,严重削弱了g-C3N4光催化材料的制氢性能.目前已有很多关于g-C3N4改性的报道,但一些方法对材料的处理过程耗时较长或者合成过程较难控制.用助剂改性是提高光催化制氢活性的半导体材料的主要策略之一.合适的助剂可改进电荷分离和加速表面催化反应,从而提高光催化剂的制氢活性.虽然稀有金属或贵金属,如铂、金和银可大大提高g-C3N4的制氢速率,但由于其昂贵和稀缺性,因而应用严重受限.因此,开发成本低、储量丰富、高性能助剂来进一步提高制氢性能具有重要意义.
NiS2来源丰富、价格低廉.它可在酸性和碱性的环境保持相对较高的稳定性,且其表面电子结构表现出类金属特性.但它较难与半导体光催化剂形成强耦合和界面,通常需要水热等条件下合成.实验表明,g-C3N4表面存在着大量的含氧官能团及未缩合的氨基基团,为表面接枝提供了丰富的反应活性位点,因而可利用g-C3N4表面均匀分布的含氧官能团等和Ni2+结合,再原位与S2-反应,从而在g-C3N4上负载耦合紧密的NiS2助剂,进一步提高复合材料的光催化制氢活性.
本文采用低温浸渍法制备了NiS2/g-C3N4光催化剂.NiS2助剂在温和的反应条件下与g-C3N4光催化剂复合,可以防止催化剂结构的破坏,同时使得助剂均匀地分散,并紧密结合在催化剂表面,从而大大提高光催化剂的制氢性能.该样品制备过程为:(1)通过水热处理制备含氧官能团和较大比表面积的g-C3N4;(2)添加Ni(NO3)2前驱体后,Ni2+离子由于静电作用紧密吸附在g-C3N4表面;(3)在80℃加入硫代乙酰胺(TAA),可在g-C3N4的表面紧密和均匀形成助剂NiS2.表征结果证实成功制备NiS2纳米粒子修饰的g-C3N4光催化剂.当Ni含量为3 wt%,样品表现出最大的制氢速率(116 μmol h-1 g-1),明显高于纯g-C3N4.此外,对NiS2/g-C3N4(3 wt%)的样品进行光催化性能的循环测试结果表明:该样品在可见光照射下可以保持一个稳定的、有效的光催化制氢性能.根据实验结果,我们提出一个可能的光催化机理:即NiS2促进了物质表面快速转移光生电子,使g-C3N4光生电荷有效分离.基于NiS2具有成本低和效率高的优点,因而有望广泛应用于制备高性能的光催化材料.

English

    1. [1] S. W. Cao, J. X. Low, J. G. Yu, M. Jaroniec, Adv. Mater., 2015, 27, 2150-2176.

    2. [2] X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, S. S. Mao, Chem. Rev., 2010, 110, 6503-6570.

    3. [3] S. J. A. Moniz, S. A. Shevlin, D. J. Martin, Z. X. Guo, J. W. Tang, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 731-759.

    4. [4] R. A. He, S. W. Cao, P. Zhou, J. G. Yu, Chin. J. Catal., 2014, 35, 989-1007.

    5. [5] Z. Zou, J. Ye, K. Sayama, H. Arakawa, Nature, 2001, 414, 625-627.

    6. [6] J. Q. Wen, X. Li, W. Liu, Y. P. Fang, J. Xie, Y. H. Xu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2049-2070.

    7. [7] Z. Z. Lin, L. H. Lin, X. C. Wang, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2089-2094.

    8. [8] S. W. Cao, J. G. Yu, J. Photochem. Photobiol. C, 2016, 27, 72-99.

    9. [9] S. W. Cao, J. G. Yu, J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5, 2101-2107.

    10. [10] X. C. Wang, K. Maeda, A. Thomas, K. Takanabe, G. Xin, J. M. Carls-son, K. Domen, M. Antonietti, Nat. Mater., 2009, 8, 76-80.

    11. [11] S. Ye, R. Wang, M. Z. Wu, Y. P. Yuan, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 15-27.

    12. [12] Z. W. Zhao, Y. J. Sun, F. Dong, Nanoscale, 2015, 7, 15-37.

    13. [13] T. Xiong, W. L. Cen, Y. X. Zhang, F. Dong, ACS Catal., 2016, 6, 2462-2472.

    14. [14] J. Zhang, J. Sun, K. Maeda, K. Domen, P. Liu, M. Antonietti, X. Fu, X. Wang, Energy. Environ. Sci., 2011, 4, 675-678.

    15. [15] G. G. Zhang, J. S. Zhang, M. W. Zhang, X. C. Wang, J. Mater. Chem., 2012, 22, 8083-8091.

    16. [16] S. Kumar, T. Surendar, A. Baruah, V. Shanker, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 5333-5340.

    17. [17] Y. X. Ji, J. F. Cao, L. Q. Jiang, Y. H. Zhang, Z. G. Yi, J. Alloys Compd., 2014, 590, 9-14.

    18. [18] Z. A. Huang, Q. Sun, K. L. Lv, Z. H. Zhang, M. Li, B. Li, Appl. Catal. B, 2015, 164, 420-427.

    19. [19] L. Liu, Y. H. Qi, J. S. Hu, Y. H. Liang, W. Q. Cui, Appl. Surf. Sci., 2015, 351, 1146-1154.

    20. [20] J. T. Zhang, F. Huang, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 287-295.

    21. [21] N. Tian, H. W. Huang, C. Y. Liu, F. Dong, T. R. Zhang, X. Du, S. X. Yu, Y. H. Zhang, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 17120-17129.

    22. [22] H. W. Huang, K. Xiao, Y. He, T. R. Zhang, F. Dong, X. Du, Y. H. Zhang, Appl. Catal. B, 2016, 199, 75-86.

    23. [23] Y. J. Zhou, L. X. Zhang, J. J. Liu, X. Q. Fan, B. Z. Wang, M. Wang, W. C. Ren, J. Wang, M. L. Li, J. L. Shi, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 3862-3867.

    24. [24] B. Yue, Q. Y. Li, H. Iwai, T. Kako, J. H. Ye, Sci. Technol. Adv. Mater., 2011, 12, 34401/1-34401/7.

    25. [25] X. H. Li, X. C. Wang, M. Antonietti, Chem. Sci., 2012, 3, 2170-2174.

    26. [26] S. B. Yang, Y. J. Gong, J. S. Zhang, L. Zhan, L. L. Ma, Z. Y. Fang, R. Vajtai, X. C. Wang, P. M. Ajayan, Adv. Mater., 2013, 25, 2452-2456.

    27. [27] H. G. Yu, P. Xiao, P. Wang, J. G. Yu, Appl. Catal. B, 2016, 193, 217-225.

    28. [28] D. L. Jiang, L. L. Chen, J. M. Xie, M. Chen, Dalton Trans., 2014, 43, 4878-4885.

    29. [29] W. C. Wan, S. Yu, F. Dong, Q. Zhang, Y. Zhou, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 7823-7829.

    30. [30] S. Fang, Y. Xia, K. L. Lv, Q. Li, J. Sun, M. Li, Appl. Catal. B, 2016, 185, 225-232.

    31. [31] K. Li, F. Y. Su, W. D. Zhang, Appl. Surf. Sci., 2016, 375, 110-117.

    32. [32] M. S. Akple, J. Low, S. Wageh, A. A. Al-Ghamdi, J. Yu, J. Zhang, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 196-203.

    33. [33] J. Q. Wen, X. Li, H. Q. Li, S. Ma, K. L. He, Y. H. Xu, Y. P. Fang, W. Liu, Q. Z. Gao, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 204-212.

    34. [34] Y. Xu, R. Xu, Appl. Surf. Sci., 2015, 351, 779-793.

    35. [35] J. R. Ran, J. Zhang, J. G. Yu, M. Jaroniec, S. Z. Qiao, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 7787-7812.

    36. [36] Y. Shiraishi, Y. Kofuji, S. Kanazawa, H. Sakamoto, S. Ichikawa, S. Tanaka, T. Hirai, Chem. Commun., 2014, 50, 15255-15258.

    37. [37] X. F. Wang, R. Yu, K. Wang, G. Q. Yang, H. G. Yu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1211-2218.

    38. [38] N. Jiang, Q. Tang, M. L. Sheng, B. You, D. E. Jiang, Y. J. Sun, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 1077-1084.

    39. [39] W. Lubitz, H. Ogata, O. Rüdiger, E. Reijerse, Chem. Rev., 2014, 114, 4081-4148.

    40. [40] D. S. Kong, J. J. Cha, H. T. Wang, H. R. Lee, Y. Cui, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 3553-3558.

    41. [41] M. S. Faber, R. Dziedzic, M. A. Lukowski, N. S. Kaiser, Q. Ding, S. Jin, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 10053-10061.

    42. [42] K. D. M. Rao, T. Bhuvana, B. Radha, N. Kurra, N. S. Vidhyadhiraja, G. U. Kulkarni, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 10462-10467.

    43. [43] T. F. Jaramillo, K. P. Jorgensen, J. Bonde, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, Science, 2007, 317, 100-102.

    44. [44] Y. G. Li, H. L. Wang, L. M. Xie, Y. Y. Liang, G. S. Hong, H. J. Dai, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 7296-7299.

    45. [45] Y. P. Yuan, S. W. Cao, L. S. Yin, L. Xu, C. Xue, Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38, 7218-7223.

    46. [46] L. S. Yin, Y. P. Yuan, S. W. Cao, Z. Y. Zhang, C. Xue, RSC Adv., 2014, 4, 6127-6132.

    47. [47] S. C. Yan, Z. S. Li, Z. G. Zou, Langmuir, 2009, 25, 10397-10401.

    48. [48] H. G. Yu, X. Huang, P. Wang, J. G. Yu, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 3722-3730.

    49. [49] H. G. Yu, F. Y. Chen, F. Chen, X. F. Wang, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 385-392.

    50. [50] W. Ma, Y. F. Guo, X. H. Liu, D. Zhang, T. Liu, R. Z. Ma, K. C. Zhou, G. Z. Qiu, Chem. Eur. J., 2013, 19, 15467-15471.

    51. [51] S. W. Cao, Y. P. Yuan, J. Fang, M. M. Shahjamali, F. Y. C. Boey, J. Barber, S. C. Joachim Loo, C. Xue, Int. J. Hydrogen. Energy, 2013, 38, 1258-1266.

    52. [52] Y. Wang, X. C. Wang, M. Antonietti, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 68-89.

    53. [53] J. L. Yuan, J. Q. Wen, Y. M. Zhong, X. Li, Y. P. Fang, S. S. Zhang, W. Liu, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 18244-18255.

    54. [54] Y. M. Zhong, J. L. Yuan, J. Q. Wen, X. Li, Y. H. Xu, W. Liu, S. S. Zhang, Y. P. Fang, Dalton Trans., 2015, 44, 18260-18269.

    55. [55] K. X. Li, Z. X. Zeng, L. S. Yan, S. L. Luo, X. B. Luo, M. X. Huo, Y. H. Guo, Appl. Catal. B, 2015, 165, 428-437.

    56. [56] L. Zhu, D. Susac, M. Teo, K. C. Wong, P. C. Wong, R. R. Parsons, D. Bizzotto, K. A. R. Mitchell, S. A. Campbell, J. Catal., 2008, 258, 235-242.

    57. [57] S. C. Yan, S. B. Lv, Z. S. Li, Z. G. Zou, Dalton Trans., 2010, 39, 1488-1491.

    58. [58] H. G. Yu, W. Y. Chen, X. F. Wang, Y. Xu, J. G. Yu, Appl. Catal. B, 2016, 187, 163-170.

    59. [59] H. G. Yu, J. Tian, F. Chen, P. Wang, X. F. Wang, Sci. Rep., 2015, 5, 13083.

    60. [60] X. F. Wang, T. Y. Li, R. Yu, H. G. Yu, J. G. Yu, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 8682-8689.

    61. [61] J. D. Hong, Y. S. Wang, Y. B. Wang, W. Zhang, R. Xu, ChemSusChem, 2013, 6, 2263-2268.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  2009
  • HTML全文浏览量:  339
文章相关
  • 发布日期:  2017-03-02
  • 收稿日期:  2016-08-30
  • 修回日期:  2016-09-28
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