摘要
太阳能驱动的光催化技术具有广泛性、可持续性、环境友好性等特点，有望成为解决能源危机和环境污染的有效手段。目前，构建高效且实用的光催化材料是光催化领域的研究热点。在各种类型的光催化剂中，传统材料TiO2具有无毒、成本低、化学稳定性优异等特点，是研究最为广泛的光催化剂之一。但宽带隙和载流子的高复合率限制着TiO2对太阳能的高效利用。本文针对TiO2光生载流子分离效率低的缺陷，分别以粉体和片体TiO2作为研究对象，通过形貌调控和半导体复合改性以提升其催化性能，分别构建了粉体CuCo2O4/TiO2和片体CZS/C/TiO2(Cd0.5Zn0.5S/CQDs/TiO2)两种不同类型的异质结体系，并深入探究了各体系的结构特性、光电性能、光解水产氢性能和反应机理。具体研究内容如下： (1)采用溶剂热法制备出形貌规整的粉体TiO2纳米片，随后通过煅烧法负载CuCo2O4纳米颗粒。研究表明，粒径约8nm的CuCo2O4纳米颗粒以界面键连的方式均匀负载在超薄TiO2纳米片上，这有利于载流子的体相迁移和相间迁移。研究表明CuCo2O4的引入显著增大了TiO2的比表面积、光电流密度，降低了载流子转移阻抗和产氢过电位，说明采用界面键合的CuCo2O4/TiO2p-n结有效地促进了光生载流子的分离和迁移，同时有助于表面产氢反应。在光解水产氢实验中，10%-CuCo2O4/TiO2表现出最优的光催化活性，其产氢速率为4830μmol·g-1·h-1，是单体TiO2的32倍。并且通过循环实验和催化剂反应前后的XRD图谱得出CuCo2O4/TiO2具有良好的产氢稳定性。 (2)以钛片为基底，采用溶剂热法制备出片体TiO2纳米薄膜，以改变反应初始时加入的醇液种类调控纳米薄膜的形貌结构，成功制备出草状、网状和棒状三种TiO2纳米薄膜。所制备的纳米薄膜由于“狭缝效应”具有独特的光吸收性能。在光解水产氢和循环实验中，棒状TiO2纳米薄膜表现出较优的产氢活性和稳定性，因此选择棒状TiO2纳米薄膜作为载体对其进行复合改性。 (3)以棒状TiO2纳米薄膜为基底，在其表面通过溶剂热法和回流法负载碳量子点和CZS。观察发现CZS、CQDs和TiO2纳米棒两两相互接触的微观结构。相比于二元CZS/TiO2纳米薄膜，CQDs的引入增强了体系的光电流密度，降低了内阻。同时，通过羟基自由基捕获实验证明CQDs在CZS和TiO2之间起到电子传输媒介的作用，载流子通过CQDs以Z型转移路线得到有效分离。三元片体CZS/C/TiO2纳米薄膜较二元复合材料表现出更好的光催化活性，其产氢速率达到31.0μmol·h-1，是纯TiO2纳米薄膜的3.4倍，同时循环实验表明其具有很好的产氢稳定性。
NETL