多种纳米结构Fe掺杂TiO2光热耦合水分解制氢研究

doi:10.7503/cjcu20200886

摘要/Abstract

摘要：

氧空位是材料缺陷工程的重要组成. 基于光生氧空位的直接热利用, 实现纯水分解制氢的光热耦合实验, 被认为是太阳能综合利用的有效途径. 以多种制备方法合成的TiO₂纳米材料为基础, 研究了多种形貌纳米TiO₂及其Fe掺杂改性材料的光热耦合反应能力. 通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 X射线衍射(XRD)和电子顺磁共振(EPR)对晶体特征进行表征, 利用漫反射光谱(DRS)、光致发光(PL)和三电极测试法表征了材料的性能, 并结合密度泛函理论(DFT)计算了产氢反应路径. 研究结果表明, 溶胶-凝胶法制备的纳米颗粒相比水热法制备的纳米片及纳米线, 体相内缺陷较多, 载流子强度高, 光热耦合产氢效果较差. Fe掺杂改性扩展了光响应, 增强了载流子分离和寿命, 降低了电子传输阻抗, 利于光反应过程中光生氧空位的形成, 克服了制氢反应中的关键能垒. 同时, 纳米材料中的缺陷促进了Fe离子的有效掺杂, Fe掺杂TiO₂纳米颗粒的光热耦合平均产氢量为9.73 μmol/g, 性能提升达13倍.

关键词: 氧空位, 光热耦合, 纳米形貌二氧化钛, 铁掺杂二氧化钛, 制氢

Abstract:

Oxygen vacancy（V_O） is an important part of the defect engineering. The direct thermal application of reductive photo-induced V_O has been regarded as an effective way for solar utilization in the field of hydrogen production from pure water splitting. Based on TiO₂ nanomaterials synthesized by various preparation me-thods， the performance of pure water splitting in photo-thermal coupling was tested on a variety of topography TiO₂ samples and its promoted form with Fe ions doping. The high resolution transmission electron microscopy（HRTEM）， X-ray diffraction（XRD） and electron paramagnetic resonance（EPR） were utilized for the observation of crystal characteristics. The diffuse reflectance spectroscopy（DRS）， photoluminescence（PL） and electrochemical characterization were applied to compare the materials properties. Moreover， the whole water splitting reaction pathway was performed via density functional theory（DFT）. Compared with hydrothermal nanosheets and nanowires， the nanoparticles prepared by sol-gel own abundant defects， resulting in a decline in hydrogen yield. To increase the photo-induced V_O generation during the photo reaction， which takes the highest energy barriers， the Fe doping was introduced into the nanomaterials， with the advantages of extended photoresponse， enhanced electron-hole pairs separation， prolonged carriers lifetime and decreased impe-dance. Meanwhile， defects in nanomaterials promote effective doping of Fe atoms， the average hydrogen yield on Fe-doped TiO₂ nanoparticles is 9.73 μmol/g in photo-thermal coupling reaction， which is almost 13 times to the bare TiO₂. The comparison and modification of nano TiO₂ with various morphologies provide a new approach for the solar functional materials.

Key words: Oxygen vacancy, Photo-thermal coupling, Nanostructure TiO₂, Fe-doped TiO₂, Hydrogen production

中图分类号:

O644.1

TrendMD:

吴启亮, 梅晋豪, 李铮, 范海东, 张彦威. 多种纳米结构Fe掺杂TiO₂光热耦合水分解制氢研究. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1837.

WU Qiliang, MEI Jinghao, LI Zheng, FAN Haidong, ZHANG Yanwei. Photo-thermal Coupling Water Splitting over Fe-doped TiO₂ with Various Nanostructures. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1837.

图/表 10

Fig.1 HRTEM image(A), EDXS mapping image(B) and the lattice spacing measurement(C) of FTP(B) Pink, red and blue dots represent Fe, Ti and O element, respectively.

Fig.2 HRTEM image(A), EDXS mapping image(B) and the lattice spacing measurement(C) of FTS(B) Pink, red and blue dots represent Fe, Ti and O element, respectively.

Fig.3 HRTEM image(A), EDXS mapping image(B) and the lattice spacing measurement(C) of FTW(B) Pink, red and blue dots represent Fe, Ti and O element, respectively.

Fig.4 XRD patterns of un?doped and Fe?doped TiO2 samples(A) and the main peak XRD patterns(23.0°—28.0°) of bare TiO2 and Fe-doped TiO2 samples of (B1)—(B3)

Fig.5 EPR signals of TP, TS and TW samplesInset: EPR signals of FTP, FTS and FTW samples range of 96—144 kA/m.

Fig.6 Hydrogen production by bare and Fe?doped samples in the water splitting experiment(A), energy profiles and optimized configurations of the thermochemical reaction process on TiO2(black line) and Fe?doped TiO2(red line) samples(B)Insets of (B): calculation model of the Fe-doped TiO2 during the reaction process.

Fig.7 UV?Vis DRS spectra of TiO2 and Fe?doped TiO2(A) and the transient photocurrent of TiO2 and Fe?doped TiO2 samples(B)Insets of (A): the color of TiO2 and Fe-doped TiO2 samples.

Fig.8 Time?resolved PL emission spectra of the TP/FTP(A), TS/FTS(B) and TW/FTW(C), PL emission spectra of theTiO2 and Fe?doped TiO2 samples(D)

Fig.9 Mott?Schottky curves of the TP/FTP(A), TS/FTS(B) and TW/FTW(C) and the electrochemical impedance spectra(EIS) of the TiO2 and Fe?doped TiO2 samples(D)

Fig.10 Hydrogen production by 0.1 FTP, 0.5 FTP and 1.0 FTP samples in the water splitting experiment(A) and PL emission spectra of 0.1 FTP, 0.5 FTP and 1.0 FTP samples(B)

参考文献 27

1	Zou X. X.， Zhang Y.， Chem. Soc. Rev.， 2015， 44， 5148—5180
2	Akira F.， Kenichi H.， Nature， 1972， 238， 37—38
3	Chiarello G. L.， Dozzi M.V.， Selli E.， J. Energy Chem.， 2017， 26， 250—258
4	Zhang N.， Gao C.， Xiong Y. J.， J. Energy Chem.， 2019， 37， 43—57
5	Yu H. J.， Li J. Y.， Zhang Y. H.， Yang S. Q.， Han K. L.， Dong F.， Ma T. Y.， Huang H. W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58， 3880—3884
6	Chueh W. C.， Falter C.， Abbott M.， Scipio D.， Furler P.， Haile S. M.， Steinfeld A.， Science， 2010， 330， 1797—1801
7	Dou S.， Tao L.， Wang R. L.， Samir El Hankari， Chen R.， Wang S. Y.， Adv. Mater.， 2018， 30， 1705850
8	Zhang Y. J.， Xu Z. F.， Li G. Y.， Huang X. J.， Hao W. C.， Bi Y. P.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58， 1—6
9	Zhang Y. W.， Chen J. C.， Xu C. Y.， Zhou K. W.， Wang Z. H.， Zhou J. H.， Cen K. F.， Int. J. Hydrogen Energy， 2016， 41， 2215— 2221
10	Docao S.， Koirala A. R.， Kim M. G.， Hwang I. C.， Song M. K.， Yoon K. B.， Energy Environ. Sci.， 2017， 10， 628—640
11	Wang K.， Jiang R. M.， Peng T.， Chen X.， Dai W. X.， Fu X. Z.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 256， 117780
12	Wang B.， Wang X.， Lu L.， Zhou C.， Xin Z.， Wang J.， Ke X.， Sheng G.， Yan S.， Zhou Z， ACS Catal.， 2018， 8， 516—525
13	Yang H. G.， Sun C. H.， Qiao S. Z.， Zou J.， Liu G.， Smith S. C.， Cheng H. M.， Lu G. Q.， Nature， 2008， 453， 638—642
14	Wang W.， He J. J.， Cui F. Y.， Wang C.， Chem. J. Chinese Universities， 2015， 36（7）， 1367—1371（王威，何皎洁，崔福义，王策. 高等学校化学学报， 2015， 36（7）， 1367—1371）
15	Ma J. Z.， He H.， Liu F. D.， Appl. Catal. B： Environ.， 2015， 179， 21—28
16	Xu C. Y.， Lin J. Y.， Pan F. Q.， Deng B. W.， Wang Z. H.， Zhou J. H.， Chen Y.， Ma J. C.， Gu Z. E.， Zhang Y. W.， Acta Chim. Sinica， 2017， 75， 699—707（许辰宇，林伽毅，潘富强，邓博文，王智化，周俊虎，陈云，马京程，顾志恩，张彦威. 化学学报， 2017， 75， 699—707）
17	Sun L.， Zhai J. L.， Li H. Y.， Zhao Y.， Yang H. J.， Yu H. W.， ChemCatChem， 2014， 6（1）， 339—347
18	Chen Y. J.， Wei Q. F.， J. Mater. Sci. Eng.， 2012， 30（2）， 192—196（陈拥军，韦秋芳. 材料科学与工程学报， 2012， 30（2）， 192—196）
19	Wang Z. P.， Niu Z. Z.， Ban L. J.， Hao Q. A..， Zhang H. X.， Li H. T.， Zhao Y. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（2）， 334—341（王志鹏，牛珠珠，班丽君，郝全爱，张鸿喜，李海涛，赵永祥. 高等学校化学学报， 2019， 40（2）， 334—341）
20	Kokorin A. I.， Amal R.， Teoh W. Y.， Kulak A. I.， Appl. Magn. Reson.， 2017， 48， 447—459
21	Fàbrega C.， Andreu T.， Cabot A.， Morante J. R.， J. Photochem. Photobiol. A： Chem.， 2010， 211， 170—175
22	Ling T.， Zhang T.， Ge B. H.， Han L. L.， Zheng L. R.， Lin F.， Xu Z. R.， Hu W. B.， Du X. W.， Kenneth D.， Qiao S. Z.， Adv. Mater.， 2019， 31， 1807771
23	Sinhamahapatra A.， Jeon J. P.， Yu J. S.， Energy Environ. Sci.， 2015， 8， 3539—3544
24	Xu Z. H.， Yu J. G.， Nanoscale， 2011， 3， 3138
25	El Rouby W. M. A.， Aboubakr A. E. A.， Khan M. D.， Farghali A. A.， Millet P.， Revaprasadu N.， Sol. Energy， 2020， 211， 478— 487
26	Delekar S. D.， Yadav H. M.， Achary S. N.， Meena S. S.， Pawar S. H.， Appl. Surf. Sci.， 2012， 263， 536—545
27	Li H. Y.， Wang D. J.， Fan H. M.， Jiang T. F.， Li X. L.， Xie T. F.， Nano Res.， 2011， 4， 460—469

[1]	陈长利, 米万良, 李煜璟. 单原子催化材料在电化学氢循环应用中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220065.
[2]	陈望松, 罗兰, 刘玉广, 周华, 孔祥贵, 栗振华, 段昊泓. 光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210683.
[3]	姜珊, 申倩倩, 李琦, 贾虎生, 薛晋波. Pd增强缺陷态TiO₂纳米管阵列的光催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220206.
[4]	李淑蓉, 王琳, 陈玉贞, 江海龙. 金属-有机框架材料在液相催化化学制氢中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210575.
[5]	桂晨, 王颢霖, 邵柏璇, 杨育景, 徐光青. 熔盐辅助法制备g-C₃N₄纳米结构及其光催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 827.
[6]	王乙舒, 李雪, 闫丽, 徐红赟, 祝玉鑫, 宋艳华, 崔言娟. 二维Z型BCN/Sn₃O₄复合材料的光催化还原性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3722.
[7]	肖兆忠, 马智, 朴玲钰. 不同半导体体系中磷化镍光催化甲酸分解的助催化作用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3692.
[8]	孙亚光, 张含烟, 明涛, 徐宝彤, 高雨, 丁茯, 徐振和. ZnIn₂S₄/g-C₃N₄复合材料的制备及可见光催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3160.
[9]	张国强, 孙宇辰, 史亚波, 郑华艳, 李忠, 上官炬, 刘守军, 史鹏政. Ce_1-_xMn_xO₂表面性质对催化CO₂和甲醇直接合成DMC反应活性的影响[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2061.
[10]	祝玉鑫, 欧阳杰, 宋艳华, 唐盛, 崔言娟. 硼碘共掺杂氮化碳的制备及光解水制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(7): 1645.
[11]	罗威, 梁佑才, 胡志诚, 唐浩然, 刘孝诚, 邢晔彤, 黄飞. 新型亲水性共轭聚合物的制备及光催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(3): 456.
[12]	任伟, 田野, 邢令利, 杨岳溪, 丁彤, 李新刚. K促进的纳米片状水滑石衍生CoAlO金属氧化物催化碳烟燃烧[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1670.
[13]	刘敬华, 丁彤, 田野, 李新刚. 钾促进的Pt/TiO₂催化一氧化碳氧化[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(7): 1467.
[14]	鲁礼林, 舒红飞, 阮祝华, 倪嘉琪, 张海军. 石墨烯负载Pt-Pd催化剂的制备、催化制氢性能及机理研究[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(5): 949.
[15]	张晶晶, 李莉, 郝玉婷, 孙雷雷, 张鑫悦. In₂O₃/ZrO₂-TiO₂空心球复合材料的制备与光解水制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(2): 238.

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Photo-thermal Coupling Water Splitting over Fe-doped TiO₂ with Various Nanostructures

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