新型可见光响应的InVO4-Cu2O-TiO2三元纳米异质结:制备及其光催化性能

冯海波 李亚萍 罗冬明 谭功荣 蒋剑波 袁惠敏 彭三军 钱东

引用本文: 冯海波,  李亚萍,  罗冬明,  谭功荣,  蒋剑波,  袁惠敏,  彭三军,  钱东. 新型可见光响应的InVO4-Cu2O-TiO2三元纳米异质结:制备及其光催化性能[J]. 催化学报, 2016, 37(6): 855-862. doi: 10.1016/S1872-2067(15)61105-6 shu
Citation:  Haibo Feng,  Yaping Li,  Dongming Luo,  Gongrong Tan,  Jianbo Jiang,  Huimin Yuan,  Sanjun Peng,  Dong Qian. Novel visible-light-responding InVO4-Cu2O-TiO2 ternary nanoheterostructure: Preparation and photocatalytic characteristics[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2016, 37(6): 855-862. doi: 10.1016/S1872-2067(15)61105-6 shu

新型可见光响应的InVO4-Cu2O-TiO2三元纳米异质结:制备及其光催化性能

  • 基金项目:

    湖南省环境科学技术基金.

    湖南省自然科学基金(09JJ3024)

    国家自然科学基金(21171174)

摘要: 由于日益严重的环境和能源危机, 可见光催化剂的开发已成为当今最具挑战和紧迫的任务之一. 将 TiO2 和其它窄禁带半导体复合, 已被证明是一种有效的可提高其可见光光催化性能的策略. Cu2O 是一种禁带宽度为 2.0 eV 的 p 型窄禁带半导体, InVO4 则是一种禁带宽度为 2.0 eV 的 n 型半导体, 因它们可用于可见光光解水产氢和有机污染物的可见光降解而在过去的数年中引起了人们广泛的关注. 但是纯的 Cu2O 和 InVO4 由于光生电子空穴对在其内部快速地复合, 光催化活性通常都比较低. 基于能带工程的策略本文设计了一种新型的可见光响应的 InVO4-Cu2O-TiO2 三元纳米异质结, 并通过普通的湿化学法进行制备: 先通过水热法制备 InVO4, 再通过溶胶-凝胶法制备 InVO4-TiO2 二元复合物, 最后通过沉淀和还原过程制备得到 InVO4-Cu2O-TiO2 三元纳米异质结.
在 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 三元纳米异质结的 X-射线衍射谱中没有观察到明显的杂质峰; 通过透射电子显微技术和高分辨透射电子显微技术观察到了它们之间异质结的形成, 纳米颗粒的尺寸范围在 5-20 nm; 经紫外可见漫反射光谱估算得到 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 的禁带宽度为 2.78 eV, 在可见光区域具有较强的吸收. 以普通的 9 W 节能灯作为可见光光源光照甲基橙 5 h 后, 纯的 InVO4, TiO2 和 Cu2O 几乎没有光催化活性; 10%InVO4-90%TiO2 的光催化活性也很低, 甲基橙降解率为 8%; 70%Cu2O-30%TiO2 对甲基橙降解率达 84%, 但初始活性较低; 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 对甲基橙降解率接近 90%, 并且循环使用 6 次后, 其光催化活性的保持率还维持在 90% 以上, 而 50%Cu2O-50%TiO2 光催化活性的保持率只有 74%.
经对使用过的 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 进行 X 射线光电子能谱表征发现, 存在一弱小的 Cu(II) 震动卫星峰, 表明在 InVO4-Cu2O-TiO2 的光催化过程中 Cu2O 的光蚀并不严重. 从能带工程的角度分析, InVO4-Cu2O-TiO2 三元纳米异质结具有优异的可见光催化性能的主要原因为: InVO4 的导带电极电位约为-0.5 eV(vs. SHE, 下同), 价带电位约为+1.5 eV, Cu2O 的分别约为-1.6 和+0.4 eV, 与 TiO2(导带和价带电极电位分别约为-0.23 和+2.97 eV) 相比, 它们的导带位置更负, 将它们组装成三元复合结构, 可见光激发的导带电子就可能从 InVO4 和 Cu2O 的导带迁移到 TiO2 的导带上去. 同时, n 型的 TiO2 和 InVO4 都与 p 型的 Cu2O 形成 p-n 异质结, n 型的 TiO2 和 InVO4 之间形成 n-n 异质结, 由于 p-n 异质结中内电场的存在以及不同能级相互耦合, 可进一步促进可见光激发的导带电子从 InVO4 和 Cu2O 的导带迁移到 TiO2 的导带上去, 以及可见光激发的价带空穴从 InVO4 的价带迁移到 Cu2O 的价带上去, 从而实现光生载流子空间上的有效分离. 本文有望为新型可见光响应的半导体复合催化剂的设计和制备提供新的思路.

English

    1. [1] J. Schneider, M. Matsuoka, M. Takeuchi, J. Zhang, Y. Horiuchi, M. Anpo, D. W. Bahnemann, Chem. Rev., 2014, 114, 9919-9986.

    2. [2] L. Chen, J. He, Q. Yuan, Y. Liu, C. T. Au, S. F. Yin, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 1096-1102.

    3. [3] H. Tong, S. Ouyang, Y. P. Bi, N. Umezawa, M. Oshikiri, J. H. Ye, Adv. Mater., 2012, 24, 229-251.

    4. [4] A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38.

    5. [5] H. M. Yuan, J. L. Liu, J. Li, Y. P. Li, X. P. Wang, Y. Q. Zhang, J. B. Jiang, S. Y. Chen, C. Zhao, D. Qian, J. Colloid Interf. Sci., 2015, 444, 58-66.

    6. [6] L. X. Sang, Y. X. Zhao, C. Burda, Chem. Rev., 2014, 114, 9283-9318.

    7. [7] D. J. Weinberg, S. M. Dyar, Z. Khademi, M. Malicki, S. R. Marder, M. R. Wasielewski, E. A. Weiss, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 14513-14518.

    8. [8] D. P. Li, K. Dai, J. L. Lv, L. H. Lu, C. H. Liang, G. P. Zhu, Mater. Lett., 2015, 150, 48-51.

    9. [9] C. J. Huang, W. Q. Ye, Q. W. Liu, X. Q. Qiu, ACS Appl. Mater. Interface, 2014, 6, 14469-14476.

    10. [10] W. C. Huang, L. M. Lyu, Y. C. Yang, M. H. Huang, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 1261-1267.

    11. [11] A. A. Dubale, W. N. Su, A. G. Tamirat, C. J. Pan, B. A. Aragaw, H. M. Chen, C. H. Chen, B. J. Hwang, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 18383-18397.

    12. [12] C. S. Dong, M. L. Zhong, T. Huang, M. X. Ma, D. Wortmann, M. Brajdic, I. Kelbassa, ACS Appl. Mater. Interface, 2011, 3, 4332-4338.

    13. [13] C. H. Han, Z. Y. Li, J. Y. Shen, J. Hazard. Mater., 2009, 168, 215-219.

    14. [14] X. N. Fei, F. D. Li, L. Y. Cao, G. Z. Jia, M. Zhang, Mater. Sci. Semicond. Process., 2015, 33, 9-15.

    15. [15] L. Huang, F. Peng, H. J. Wang, H. Yu, Z. Li. Catal. Commun., 2009, 10, 1839-1843.

    16. [16] Y. F. Li, W. P. Zhang, X. Shen, P. F. Peng, L. B. Xiong, Y. Yu, Chin. J. Catal., 2015, 12, 2229-2236.

    17. [17] L. Sinatra, A. P. LaGrow, W. Peng, A. R. Kirmani, A. Amassian, H. Idriss, O. M. Bakr, J. Catal., 2015, 322, 109-117.

    18. [18] L. L. Sun, X. L. Wu, M. Meng, X. B. Zhu, P. K. Chu, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 28063-28068.

    19. [19] L. X. Yang, S. L. Luo, Y. Li, Y. Xiao, Q. Kang, Q. Y. Cai, Environ. Sci. Technol., 2010, 44, 7641-7646.

    20. [20] L. M. Liu, W. Y. Yang, W. Z. Sun, Q. Li, J. K. Shang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 1465-1476.

    21. [21] J. Q. Wen, X. Li, W. Liu, Y. P. Fang, J. H. Xie, Y. Xu, Chin. J. Catal., 2015, 12, 2049-2070.

    22. [22] W. Y. Cheng, T. H. Yu, K. J. Chao, S. Y. Lu, ChemCatChem, 2014, 6, 293-300.

    23. [23] B. M. Almeida, M. A. Melo Jr, J. Bettini, J. E. Benedetti, A. F. Nogueira, Appl. Surf. Sci., 2015, 324, 419-431.

    24. [24] L. M. Liu, W. Y. Yang, Q. Li, S. A. Gao, J. K. Shang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 5629-5639.

    25. [25] M. Wang, L. Sun, Z. Q. Lin, J. H. Cai, K. P. Xie, C. J. Lin, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 1211-1220.

    26. [26] Y. Li, S. H. Jiang, J. R. Xiao, Y. D. Li, Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39, 731-735.

    27. [27] Y. Yan, F. P. Cai, Y. Song, W. D. Shi, Chem. Eng. J., 2013, 233, 1-7.

    28. [28] Y. Yan, X. L. Liu, W. Q. Fan, P. Lv, W. D. Shi, Chem. Eng. J., 2012, 200-202, 310-316.

    29. [29] Y. Wang, H. X. Dai, J. G. Deng, Y. X. Liu, Z. X. Zhao, X. W. Li, H. Arandiyan, Chem. Eng. J., 2013, 226, 87-94.

    30. [30] L. J. Song, S. W. Liu, Q. F. Lu, G. Zhao, Appl. Surf. Sci., 2012, 258, 3789-3794.

    31. [31] Y. L. Min, K. Zhang, Y. C. Chen, Y. G. Zhang, Chem. Eng. J., 2011, 175, 76-83.

    32. [32] J. C. Shen, H. Yang, Y. Feng, Q. F. Cai, Q. H. Shen, Solid State Sci., 2014, 32, 8-12.

    33. [33] X. Lin, D. Xu, Z. Lin, S. S. Jiang, L. M. Chang, RSC Adv., 2015, 5, 84372-84380.

    34. [34] I. A. Perales-Martínez, V. Rodríguez-González, S. W. Lee, S. Obregón, J. Photochem. Photobiol. A, 2015, 299, 152-158.

    35. [35] Z. M. He, Q. C. Xu, T. T. Y. Tan, Nanoscale, 2011, 4977-4983.

    36. [36] S. L. Pettit, C. H. McCane, J. T. Wolan, J. N. Kuhn, Catal. Lett., 2013, 143, 772-776.

    37. [37] Y. L. Min, K. Zhang, Y. C. Chen, Y. G. Zhang, Ultrason. Sonochem., 2012, 19, 883-889.

    38. [38] H. Chang, E. H. Jo, H. D. Jang, T. O. Kim, Mater. Lett., 2013, 92, 202-205.

    39. [39] L. Ge, M. X. Xu, Mater. Sci. Eng. B, 2006, 131, 222-229.

    40. [40] N. F. Jaafar, A. A. Jalil, S. Triwahyono, M. N. M. Muhid, N. Sapawe, M. A. H. Satar, H. Asaar, Chem. Eng. J., 2012, 191, 112-122.

    41. [41] Z. Y. Yu, C. N. Dong, R. Y. Qiu, L. J. Xu, A. H. Zheng, J. Colloid Interface. Sci., 2015, 438, 323-331.

    42. [42] Y. M. Hunge, M. A. Mahadik, S. S. Kumbhar, V. S. Mohite, K. Y. Rajpure, N. G. Deshpande, A. V. Moholkar, C. H. Bhosale, Ceram. Int., 2016, 42, 789-798.

    43. [43] A. D. Handoko, J. Tang, Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38, 13017-13022.

    44. [44] L. K. Li, L. L. Xu, W. D. Shi, J. G. Guan, J. Hydrogen Energy, 2013, 38, 816-822.

    45. [45] H. Liu, J. Wang, X. M. Fan, F. Z. Zhang, H. R. Liu, J. Dai, F. M. Xiang, Mater. Sci. Eng. B, 2013, 178, 158-166.

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  • 收稿日期:  2016-01-31
  • 修回日期:  2016-04-13
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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