摘要:
隨著工業(yè)化的快速發(fā)展,化石燃料等不可再生能源的快速消耗,人類將面臨不可預(yù)測(cè)的能源危機(jī).尋找有效的方法來解決能源短缺問題已成為當(dāng)今的重要研究課題.氫能是一種可以替代化石燃料的清潔可再生能源.利用半導(dǎo)體光催化分解水制氫技術(shù)可以將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能.目前,在已開發(fā)的半導(dǎo)體光催化材料中,TiO2因具有無毒、穩(wěn)定、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)而備受光催化領(lǐng)域關(guān)注.但是,在實(shí)際應(yīng)用方面,TiO2的光催化效率受限于其低的光子利用率和較高的光生電子-空穴復(fù)合率.許多研究表明,TiO2不同晶面的協(xié)同作用有利于光生載流子的遷移分離,并且適量的摻雜能夠捕獲光生電子,從而抑制其復(fù)合.而鑭系元素因其特殊4f電子結(jié)構(gòu)受到廣泛的關(guān)注.采用物理或化學(xué)方法將鑭系離子引入TiO2晶格中,可以影響光生電子和空穴的動(dòng)力學(xué)過程,延長(zhǎng)光生載流子的分離狀態(tài),從而提高光催化活性.本文通過簡(jiǎn)單溶劑熱法成功合成了鑭系離子摻雜{001}/{101}面共暴露的TiO2納米片.X-射線粉末衍射(XRD)、X-射線光電子能譜(XPS)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)的表征結(jié)果證明了鑭系離子選擇性摻雜在TiO2納米片{101}面上.結(jié)合紫外可見吸收光譜、穩(wěn)態(tài)熒光、瞬態(tài)熒光衰減曲線、光電流及莫特-肖特基曲線等手段對(duì)鑭系離子摻雜TiO2光催化劑進(jìn)行了表征,結(jié)果表明,鑭系離子摻雜TiO2納米片增強(qiáng)了對(duì)光的吸收,同時(shí)延長(zhǎng)光生載流子的分離狀態(tài),阻礙光生電子和空穴的復(fù)合.考察其光催化分解水制氫的性能.研究表明,在相同摻雜量(0.5mol%RE3+=Ho3+,Er3+,Tm3+,Yb3+,Lu3+)的TiO2納米片中,Yb3+-TiO2納米片光催化劑具有優(yōu)異的產(chǎn)氫活性,在模擬太陽光照射1h后產(chǎn)氫量是純TiO2的4.25倍.同時(shí)討論了不同濃度助催化劑Pt作用下的Yb3+-TiO2納米片產(chǎn)氫效果,當(dāng)Pt含量量為0.3wt%時(shí),光解水產(chǎn)氫活性最佳,Pt/Yb3+-TiO2納米片的產(chǎn)氫量是Yb3+-TiO2的2倍,純TiO2的8.5倍.光催化分解水產(chǎn)氫活性的顯著提高可以歸因于光生電子-空穴對(duì)在TiO2納米片{001}/{101}面的快速分離,以及鑭系離子4f電子軌道對(duì)電子的捕獲和雜質(zhì)能級(jí)的產(chǎn)生減小了禁帶寬度,這不僅延長(zhǎng)了光生載流子的分離狀態(tài),增加了H+還原成H2的機(jī)會(huì),而且還可以拓展可見光的吸收范圍.可見,利用鑭系離子摻雜TiO2和共暴露{001}/{101}面協(xié)同作用是一種實(shí)現(xiàn)TiO2基光催化活性提高的有效方法之一.鑭系離子摻雜的策略對(duì)提高半導(dǎo)體納米材料的光催化活性有顯著的影響,可能在光催化、光電化學(xué)和太陽能電池領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用.