摘要
助剂修饰是提高TiO2光催化制氢性能的有效方法之一。然而，广泛使用的贵金属助剂种类稀少且价格昂贵，严重限制了它们的实际应用。因此，目前助剂修饰的研究重点逐渐向低成本的非贵金属助剂转变，但是，非贵金属助剂的合成方法通常涉及高温高压、强还原剂或复杂的路线，这就不可避免地导致形成的助剂颗粒大且分布不均匀。事实上，助催化剂小的粒径及其在光催化剂表面的均匀分布对增强半导体光催化制氢性能至关重要。因此，探索新型非贵金属助剂及其简易的制备方法对发展高性能TiO2光催化剂具有重要意义。本论文采用简单、温和的直接光诱导沉积法，探索和制备出新型的非贵金属Sn和Bi助剂，以提高TiO2的制氢性能，并通过相关表征研究其活性增强的机理，详细研究结果如下： 第一，在TiO2-乙醇体系下，通过引入Sn(II)-乙二醇(EG)络合物，一步实现了金属Sn纳米粒子修饰型TiO2光催化剂的合成及对光催化制氢性能的增强作用。首先，为了避免Sn(II)的水解，引入EG作为络合剂以获得澄清的Sn(II)-EG络合溶液，其次将该络合溶液与TiO2的乙醇悬浮液混合并进行光沉积及制氢实验，使得光催化剂的合成和制氢测试一步完成，最后得到Sn/TiO2样品。研究结果表明：通过引入Sn(II)-EG，较小颗粒的金属Sn(约2nm)可均匀地沉积在TiO2表面；此外，金属Sn可显著提高TiO2的制氢性能，尤其Sn/TiO2(3wt%)表现出最高的活性(553.1μmolh-1g-1)，是纯TiO2(12.6μmolh-1g-1)的43.9倍。基于当前的结果，提出金属Sn作为电子助剂增强TiO2活性的机理：金属Sn充当电子陷阱快速捕获并转移TiO2导带的光生电子，同时作为界面产氢位点促进氢气的形成。 第二，通过直接光诱导沉积法，在Bi(III)-EG络合体系中一步合成Bi/TiO2光催化剂。这里，乙二醇(EG)不仅作为络合剂以抑制Bi(III)的水解，同时作为制氢的空穴牺牲剂。研究结果表明：金属Bi可以均匀地沉积在TiO2表面，所获得的Bi/TiO2(1wt%)表现出最大的制氢速率(742.0μmolh-1g-1)，是纯TiO2活性(7.0μmolh-1g-1)的106倍，此外，金属Bi还可以作为一种通用型助剂用于增强典型光催化剂(CdS和g-C3N4)的制氢性能。基于此，提出活性增强的机理：金属Bi作为电子捕获剂可快速转移光生电子，随后充当产氢活性位点促进界面反应。
NETL