在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu2O/g-C3N4异质结膜

引用本文: 张声森, 晏洁, 杨思源, 徐悦华, 蔡欣, Xin Li, 张向超, 彭峰, 方岳平. 在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu₂O/g-C₃N₄异质结膜[J]. 催化学报, 2017, 38(2): 365-371. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62588-3 shu

Citation: Shengsen Zhang, Jie Yan, Siyuan Yang, Yuehua Xu, Xin Cai, Xin Li, Xiangchao Zhang, Feng Peng, Yueping Fang. Electrodeposition of Cu₂O/g-C₃N₄ heterojunction film on an FTO substrate for enhancing visible light photoelectrochemical water splitting[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(2): 365-371. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62588-3 shu

在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu₂O/g-C₃N₄异质结膜

张声森 ^a,b, ,
晏洁 ^a, ,
杨思源 ^a, ,
徐悦华 ^a, ,
蔡欣 ^a, ,
Xin Li ^a, ,
张向超 ^c, ,
彭峰 ^b, ,
方岳平 ^a,

a 华南农业大学材料与能源学院, 广东广州 510643;
b 华南理工大学化学与化工学院, 广东广州 510641;
c 长沙学院环境光催化应用技术湖南省重点实验室, 湖南长沙 410022
基金项目:
国家自然科学基金（21173088）；广东省科技计划（2014A030312007，2015A050502012，2016A010104013）；中国博士后基金（2016M592493）；长沙学院环境光催化应用技术湖南省重点实验室（CCSU-XT-06）.

摘要: 近几十年来，光电化学分解水制氢作为一种洁净的、能持续利用太阳能的技术受到极大关注.在众多光催化材料中，p型半导体氧化亚铜（Cu₂O）被认为是最有前途的可见光光电分解水材料之一.理论上，它的光能转换为氢能的效率可达到18.7%.然而，目前所报道的Cu₂O光转换效率远远低于此值；同时，纯Cu₂O在光照条件下的稳定性较差.研究表明，Cu₂O与其它半导体复合可以增强其光电转换效率和提高稳定性.如Cu₂O和能带匹配的石墨相氮化碳（g-C₃N₄）复合后，光催化性能和稳定性都有较大提高.但目前所报道的Cu₂O/g-C₃N₄复合物几乎都是粉末状催化剂，不便于回收和重复使用.
本文首先采用电化学方法在FTO导电玻璃上沉积Cu₂O薄膜，采用溶胶凝胶法制备g-C₃N₄纳米颗粒材料，然后采用电化学法在Cu₂O薄膜表面沉积一层g-C₃N₄纳米颗粒，得到了Cu₂O/g-C₃N₄异质结膜.分别利用X射线粉末衍射（XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外可见光谱（UV-Vis）和光电化学分解水实验分析了Cu₂O/g-C₃N₄异质结的组成结构、表面形貌、光吸收性能及催化剂活性和稳定性.
XRD和HRTEM表征显示，本文成功合成了Cu₂O/g-C₃N₄异质结材料，SEM图表明g-C₃N₄纳米颗粒在Cu₂O表面分布均匀，大小均一.可见光光电化学分解水结果显示，异质结薄膜的光电化学性能比纯的Cu₂O和g-C₃N₄薄膜材料有极大提高.当在Cu₂O表面沉积g-C₃N₄的时间为15 s时，得到样品Cu₂O/g-C₃N₄-15异质结膜，其在-0.4 V和可见光照射条件下，光电流密度达到了-1.38 mA/cm²，分别是纯Cu₂O和g-C₃N₄薄膜材料的19.7和6.3倍.产氢速率也达到了0.48 mL h^-1 cm^-2，且产氢和产氧的速率之比约为2，说明此异质结材料在可见光作用下能全分解水.经过三次循环实验，光电化学分解水的效率仅降低10.8%，表明该材料具有良好的稳定性.根据UV-Vis表征和光电化学性能对比，Cu₂O/g-C₃N₄-15的光电性能最好，但其光吸收性能并不是最好，说明光电化学性能与光吸收不是成正比关系，主要是由于Cu₂O和g-C₃N₄两个半导体相互起到了协同作用.机理分析表明，Cu₂O/g-C₃N₄异质结薄膜在光照下，由于两者能带匹配，Cu₂O的光生电子从其导带转移到g-C₃N₄的导带上，g-C₃N₄价带上的空隙转移到Cu₂O的价带上，从而降低了光生电子和空隙的复合，提高了其光催化性能.由于g-C₃N₄的导带位置高于H₂O（或H⁺）还原为H₂的电势，Cu₂O的价带位置低于H₂O（或OH-）还原为O₂的电势，所以在外加-0.4 V偏压和可见光照射条件下，Cu₂O/g-C₃N₄能全分解水，光生载流子越多，光电化学分解水的速率越大.综上所述，在Cu₂O薄膜上沉积g-C₃N₄后得到的异质结薄膜具有高效的光能转换为氢能性能.

关键词:

English

Electrodeposition of Cu₂O/g-C₃N₄ heterojunction film on an FTO substrate for enhancing visible light photoelectrochemical water splitting

a College of Materials and Energy, South China Agricultural University, Guangzhou 510643, Guangdong, China;
b School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, Guangdong, China;
c Hunan Key Laboratory of Applied Environmental Photocatalysis, Changsha University, Changsha 410022, Hunan, China
Received Date: 20 August 2016
Revised Date: 29 October 2016
Available Online: 02 March 2017
Fund Project:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21173088), the Science and Technology Project of Guangdong Province (2014A030312007, 2015A050502012, 2016A010104013), the China Postdoctoral Science Foundation (2016M592493), and the Open Research Fund of Hunan Key Laboratory of Applied Environmental Photocatalysis (CCSU-XT-06), Changsha University.

Abstract: An immobilized Cu₂O/g-C₃N₄ heterojunction film was successfully made on an FTO substrate by electrophoretic deposition of g-C₃N₄ on a Cu₂O thin film. The photoelectrochemical (PEC) performance for water splitting by the Cu₂O/g-C₃N₄ film was better than pure g-C₃N₄ and pure Cu₂O film. Under -0.4 V external bias and visible light irradiation, the photocurrent density and PEC hydrogen evolution efficiency of the optimized Cu₂O/g-C₃N₄ film was -1.38 mA/cm² and 0.48 mL h^-1 cm^-2, respectively. The enhanced PEC performance of Cu₂O/g-C₃N₄ was attributed to the synergistic effect of light coupling and a matching energy band structure between g-C₃N₄ and Cu₂O as well as the external bias.

Key words:

1. [1] G. M. Wang, H. Y. Wang, Y. C. Ling, Y. C. Tang, X. Y. Yang, R. C. Fitz-morris, C. C, Wang, J. Z. Zhang, Y. Li, Nano Lett., 2011, 11, 3026-3033.
2. [2] S. Gao, Y. F. Sun, F. C. Lei, J. W. Liu, L. Liang, T. W. Li, B. C. Pan, J. F. Zhou, Y. Xie, Nano Energy, 2014, 8, 205-213.
3. [3] A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38.
4. [4] Y. Z. Wang, S. Li, J. H. Han, W. Wen, H. Wang, S. Dimitrijev, S. Q. Zhang, RSC Adv., 2014, 4, 54441-54446.
5. [5] J. X. Qiu, S. Q. Zhang, H. J. Zhao, Sensor. Actuat. B, 2011, 160, 875-890
6. [6] C. G. Morales-Guio, S. D. Tilley, H. Vrubel, M. Grätzel, X. Hu, Nat. Commun., 2014, 5, 1661-1667.
7. [7] C. A. N. Fernando, S. K. Wetthasinghe, Solar. Energy Mater. Sol. Cells., 2000, 63, 299-308.
8. [8] Y. F. Li, W. P. Zhang, X. Shen, P. F. Peng, L. B. Xiong, Y. Yu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2229-2236.
9. [9] Z. H. Zhang, R. Dua, L. B. Zhang, H. B. Zhu, H. N. Zhang, P. Wang, ACS Nano, 2013, 7, 1709-1717.
10. [10] S. Y. Yang, S. S. Zhang, H. J. Wang, H. Yu, Y. P. Fang, F. Peng, Mater. Res. Bull., 2015, 70, 296-302.
11. [11] A. Paracchino, V. Laporte, K. Sivula, M. Grätzel, E. Thimsen, Nat. Mater., 2011, 10, 456-461.
12. [12] L. L. Wu, L. K. Tsui, N. Swami, G. Zangari, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 11551-11556.
13. [13] C. L. Li, Y. B. Li, J. J. Delaunay, ACS Appl. Mater. Inter., 2014, 6, 480-486.
14. [14] Z. K. Zheng, B. B. Huang, Z. Y. Wang, M. Guo, X. Y. Qin, X. Y. Zhang, P. Wang, Y. Dai, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 14448-14453.
15. [15] T. F. Jiang, T. F. Xie, W. S. Yang, L. P. Chen, H. M. Fan, D. J. Wang, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 4619-4624.
16. [16] I. Mínguez-Bacho, M. Courté, C. Shi, D. Fichou, Mater. Lett., 2015, 159, 47-50.
17. [17] 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.
18. [18] S. Ye, R. Wang, M. Z. Wu, Y. P. Yuan, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 15-27.
19. [19] M. S. Akple, J. Low, S. Wageh, A. A. Al-Ghamdi, J. G. Yu, J. Zhang, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 196-203.
20. [20] Q. J. Xiang, J. G. Yu, J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5, 753-759.
21. [21] Y. Liu, R. X. Wang, Z. K. Yang, H. Du, Y. F. Jiang, C. C. Shen, K. Liang, A. W. Xu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 12, 2135-2144.
22. [22] S. J. Liang, Y. Z. Xia, S. Y. Zhu, S. Zheng, Y. H. He, J. H. Bi, M. H. Liu, L. Wu, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 304-312.
23. [23] J. T. Zhang, F. Huang, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 287-295.
24. [24] P. Y. Kuang, Y. Z. Su, G. F. Chen, Z. Luo, S. Y. Xing, N. Li, Z. Q. Liu, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 296-303.
25. [25] L. Ge, C. C. Han, J. Liu, Appl. Catal. B, 2011, 108-109, 100-107.
26. [26] S. W. Cao, J. X. Low, J. G. Yu, M. Jaroniec, Adv. Mater., 2015, 27, 2150-2176.
27. [27] L. Liu, Y. H. Qi, J. S. Hu, W. J. An, S. L. Lin, Y. H. Liang, W. Q. Cui, Ma-ter. Lett., 2015, 158, 278-281.
28. [28] S. Ganesh Babu, R. Vinoth, P. Surya Narayana, D. Bahnemann, B. Neppolian, APL Mater., 2015, 3, 104415.
29. [29] C. Jie, S. H. Shen, P. H. Guo, W. Meng, P. Wu, X. X. Wang, L. J. Guo, Appl. Catal. B, 2014, 152-153, 335-341.
30. [30] L. Liu, Y. H. Qi, J. S. Hu, Y. H. Liang, W. Q. Cui, Appl. Surf. Sci., 2015, 351, 1146-1154.
31. [31] Y. L. Tian, B. B. Chang, J. Fu, B. C. Zhou, J. Y. Liu, F. N. Xi, X. P. Dong, J. Solid State Chem., 2014, 212, 1-6.
32. [32] B. Y. Peng, S. S. Zhang, S. Y. Yang, H. J. Wang, H. Yu, S. Q. Zhang, P. Feng, Mater. Res. Bull., 2014, 56, 19-24.
33. [33] S. S. Zhang, S. Q. Zhang, F. Peng, H. M. Zhang, H. W. Liu, H. J. Zhao, Electrochem. Commun., 2011, 13, 861-864.
34. [34] S. Martha, A. Nashim, K. M. Parida, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 7816-7824.
35. [35] L. X. Yang, S. L. Luo, Y. Li, Y. Xiao, Q. Kang, Q. Y. Cai, Environ. Sci. Technol., 2010, 44, 7641-7646.
36. [36] P. D. Tran, S. K. Batabyal, S. S. Pramana, J. Barber, L. H. Wong, S. C. J. Loo, Nanoscale, 2012, 4, 3875-3878.
37. [37] J. S. Zhang, M. N. Zhang, C. Yang, X. C. Wang, Adv. Mater., 2014, 26, 4121-4126.

扫一扫看文章

计量

PDF下载量: 22
文章访问数: 2009
HTML全文浏览量: 370

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

在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu₂O/g-C₃N₄异质结膜

English

Electrodeposition of Cu₂O/g-C₃N₄ heterojunction film on an FTO substrate for enhancing visible light photoelectrochemical water splitting

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处