π-π作用下的VOPc/g-C3N4用于有效提升可见光光催化制氢性能

• Published in: 催化学报 2019, Vol.40 (2), p.182-193
• Main Authors: 刘亚男, 马柳波, 申丛丛, 王 昕, 周 霄, 赵志伟, 徐安武
• Format: Article
• Language: Chinese
• ISSN: 0253-9837
• DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63191-2

近年来, 随着全球科学技术的进步和工业的不断发展, 人们的经济生活水平有了极大的提高, 但同时也造成能源短缺和环境污染问题, 成为21世纪制约经济和社会进一步发展的严重瓶颈, 因此开发和研究环保和可再生的绿色能源技术是一项紧迫任务. 自首次报道用二氧化钛为电极、采用光电化学分解水制氢之后, 光催化分解水制氢引起了人们极大的兴趣,并被认为是缓解全球能源问题的最有希望的解决方案之一. 其中, 实现有效的太阳能制氢生产中最关键因素是设计稳定、高效和经济的光催化剂, 并且能够利用可见光区进行工作(入射到地球上46%的太阳光谱是可见光). 聚合物石墨相氮化物(g-C3N4)作为一种对可见光响应的新型无机非金属半导体光催化剂, 被认为是一种"可持续"有机半导体材料, 目前已并被广泛应用于各种光催化反应中. 但是由于其光生电子-空穴在动力学上具有相对较大的复合速率, 单纯g-C3N4的光催化活性远远达不到人们的要求. 因此, 应该尽可能的提高电荷转移动力学来抑制g-C3N4中光生电荷的复合, 从而提高光生电荷从g-C3N4转移至反应位点的迁移速率.在前期研究的基础上, 本文利用钒氧酞菁(VOPc)分子通过π-π相互作用以修饰g-C3N4的表面和电子结构, 从而提高其光生电子-空穴的分离效率, 最终极大提升其可见光光催化制氢性能.本文采用紫外可见光谱(UV-vis), 高分辨透射电镜(HRTEM), 傅里叶变换红外光谱(FT-IR), X-射线能谱(XPS), 稳态光致发光光谱(PL), 时间分辨光致发光光谱(TRPL), 光电流和阻抗等一系列表征手段研究了VOPc/g-C3N4(VOPc/CN)复合催化剂的结构和性质. FT-IR, XPS及mapping等结果表明, VOPc分子已经成功引入到g-C3N4表面且未对其晶相、电子结构及其纳米片结构产生显著影响; UV-vis结果显示, VOPc分子成功引入并通过非共价键的π-π作用连接. 总之, 引入VOPc分子即拓展了催化剂对可见光的响应区域, 又有利于光生载流子的传递和光生电子-空穴对的有效分离. 当引入4 wt%的VOPc分子时, VOPc/CN复合光催化剂的产氢速率增加至65.52 μmol h–1, 420 nm处的量子效率高达6.29%, 是单纯g-C3N4的6倍.此外, 该催化剂在可见光下连续照射反应20 h后, 其光催化活性几乎没有降低, 表现出良好的光化学稳定