趙曉波 李躍軍*, 曹鐵平 孫大偉,2
(1白城師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院,白城 137000)
(2吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院,四平 136000)
將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能替代傳統(tǒng)化石燃料是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的首選途徑[1-4]。目前TiO2半導(dǎo)體光催化技術(shù)亟需解決的關(guān)鍵核心問題,仍是太陽光能利用率低和光生電子空穴對(duì)復(fù)合幾率高[5-6]。因此探索光譜響應(yīng)范圍寬,光生載流子分離和遷移率高,與TiO2能級(jí)結(jié)構(gòu)相匹配的光催化輔助材料成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7-8]。
Bi作為一種綠色無毒、價(jià)格低廉和制備簡(jiǎn)單的典型半金屬,具有類貴金屬的局域表面等離子體共振(LSPR)效應(yīng),引起光催化研究者的關(guān)注[9]。例如:Dong等[10]制備的Bi/g-C3N4復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的可見光催化性能,并通過Maxwell′s equations理論模擬及自由基捕獲實(shí)驗(yàn),提出了金屬Bi的LSPR效應(yīng)增強(qiáng)光催化活性機(jī)理。本課題組[11]利用一步水熱法制備的Bi/TiO2復(fù)合納米纖維光催化材料,促進(jìn)了光生電子空穴對(duì)的有效分離與遷移,增強(qiáng)了材料的可見光催化活性。
眾所周知,可見光僅占太陽光譜能的48%,還有約44%的紅外光在光催化反應(yīng)中無法利用[12]。上轉(zhuǎn)換材料可以將紅外光轉(zhuǎn)換成能量更高的紫外光和可見光,從而有助于半導(dǎo)體吸收,是利用紅外光進(jìn)行光催化的一種重要手段。Wang等[13]首次將稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料 40CdF2·60BaF2·0.8Er2O3用于摻雜TiO2的光催化研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示摻雜的復(fù)合物能有效地把波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見光轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)較短的紫外光,并提供給納米TiO2吸收產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)。Obregón等[14]采用水熱法合成的Er3+-TiO2體系,在近紅外光照射下,也表現(xiàn)出較好的光催化活性。
我們通過水熱法將非貴金屬Bi構(gòu)筑在稀土Yb3+和Er3+共摻雜TiO2納米纖維表面,制得Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維光催化劑,以克服單摻雜改性或復(fù)合改性之不足,利用金屬Bi的LSPR效應(yīng)結(jié)合稀土元素上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性,對(duì)TiO2進(jìn)行雙重協(xié)調(diào)修飾改性,以提高其光催化活性和太陽光利用率。
Yb(NO3)3、Er(NO3)3和Bi(NO3)3溶液的配制:準(zhǔn)確稱取 2.458 g的 Yb2O3粉末,加入到 20 mL 1 mol·L-1HNO3中,加熱攪拌至混合液完全澄清透明,用50 mL容量瓶定容成0.25 mol·L-1Yb(NO3)3溶液。用同樣的步驟分別配制50 mL 0.125和0.5 mol·L-1的Er(NO3)3和Bi(NO3)3溶液。
Yb3+,Er3+∶TiO2納米纖維的制備:將1.5 g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到10 mL無水乙醇中,磁力攪拌4 h,制得高分子溶液。取1.5 mL鈦酸四丁酯溶于6 mL無水乙醇與冰醋酸的等體積比混合液,攪拌30 min,緩慢滴入高分子溶液中。強(qiáng)力攪拌2 h后,分別加入2 mL Yb(NO3)3和1 mL Er(NO3)3溶液,繼續(xù)攪拌30 min,轉(zhuǎn)移至電紡用注射器。施以10 kV電壓,接收距離為12 cm,電紡5 h,得到纖維氈。將其置于馬弗爐內(nèi),焙燒至500 ℃,恒溫4 h,制得Yb3+,Er3+∶TiO2納米纖維。與上述步驟相同,在不加入稀土硝酸鹽條件下,制得純TiO2納米纖維。
Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維的合成:將 2.65 g NaH2PO2·H2O溶于5 mL冰醋酸和15 mL 0.25 mol·L-1的NaOH混合液中,磁力攪拌15 min,再加入10 mL Bi(NO3)3溶液,繼續(xù)攪拌30 min,轉(zhuǎn)移至50 mL高壓反應(yīng)釜后,加入 15 mg Yb3+,Er3+∶TiO2(或純TiO2)納米纖維。靜置20 min,140℃反應(yīng)6 h,冷卻至室溫。用乙醇和去離子水分別洗滌3次,60℃干燥12 h,制得Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2(或 Bi/TiO2)復(fù)合納米纖維。
采用PANalytical X′Pert3 Powder X射線衍射儀(XRD)測(cè)得樣品的物相和組成,CuKα靶(λ=0.154 056 nm),管流40 mA,管壓40 kV,掃描范圍為20°~80°;采用Hitachi SU8010掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的微觀形貌,加速電壓為5.0 kV;采用JEOL-JSM2010型高分辨透射電鏡(HRTEM)觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu),加速電壓為200 kV;利用PHI 5000 VersaprobeⅡX射線光電子能譜儀(XPS)測(cè)試樣品組成和元素化學(xué)價(jià)態(tài),以污染碳Cls峰(284.6 eV)校正荷電位移;利用Perkin Elmer Lambda35型紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定樣品紫外-可見漫反射吸收光譜(UV-Vis DRS),以BaSO4作為標(biāo)準(zhǔn)反射率;用Hitachi F-4500熒光光譜儀檢測(cè)熒光光譜(PL);使用配有可調(diào)980 nm半導(dǎo)體固態(tài)激光器作為激發(fā)光源,在Edinburgh FLS 980-S2S2-SRM熒光光譜儀進(jìn)行上轉(zhuǎn)換發(fā)光測(cè)試。
光催化分解水產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)是利用北京泊菲萊科技有限公司生產(chǎn)的光解水系統(tǒng)進(jìn)行。取5 mL三乙醇胺(TEOA)溶解在95 mL純H2O中,制得TEOA溶液,將其轉(zhuǎn)移至專用石英光反應(yīng)器中,加入50 mg催化劑,超聲20 min后裝入光催化分解水系統(tǒng)。常溫常壓下,選用300 W氙燈為光源(全譜光,200 mW·cm-2);配有λ=365 nm的光學(xué)濾光片作為紫外光源;配有460 nm<λ<540 nm的光學(xué)濾光片作為可見光光源。3 W的980 nm半導(dǎo)體激光器作為紅外光光源。產(chǎn)氫量用氣相色譜熱導(dǎo)檢測(cè)器TCD進(jìn)行檢測(cè),5A分子篩色譜柱,載氣為高純氬氣。
使用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系的CHI660型電化學(xué)工作站測(cè)試光電流。Ag/AgCl(飽和KCl)為參比電極,Pt絲為對(duì)電極,利用光催化材料制備的樣品電極作為工作電極,0.5 mol·L-1Na2SO4溶液作為電解液,300 W氙燈作為光源。光源開關(guān)間隔為50 s。
圖1 TiO2納米纖維及不同纖維樣品的XRD圖Fig.1 XRD patterns of TiO2nanofibers and different fiber samples
圖1為TiO2納米纖維及不同纖維樣品的XRD圖。如圖 1所示,TiO2納米纖維在2θ=25.5°、37.9°、48.2°、54.1°、55.0°和62.5°等處出現(xiàn) 6 個(gè)明顯衍射峰,經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)卡(PDF No.21-1272)比對(duì)可知,分別歸屬于銳鈦礦 TiO2的(101)、(004)、(200)、(205)、(211)和(204)晶面,由此可知,所得纖維樣品為銳鈦礦相,且結(jié)晶度良好。在樣品Yb3+,Er3+∶TiO2中,雖然未能觀察到Y(jié)b3+和Er3+元素的物相峰,但是TiO2的各衍射峰均略有寬化,其中54.1°和55.0°所形成的駝峰已寬化成一個(gè)峰,表明Yb3+和Er3+較好地?fù)饺隩iO2晶格,并造成 TiO2晶格畸變[15]。而 Bi/TiO2和Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2樣品在2θ=27.3°、39.7°、48.4°和64.7°處又產(chǎn)生4個(gè)新衍射峰,經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)卡(PDF No.44-1246)相比對(duì),與金屬Bi的特征衍射峰完全吻合,表明經(jīng)水熱反應(yīng)后,纖維表面有金屬Bi生成。
圖 2 為Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維的 XPS譜圖。從全譜圖2a可觀測(cè)到Bi、Ti、O和C四種元素(其中C是對(duì)全譜進(jìn)行荷電校正)。如圖2b所示,157.6和162.9 eV處的2個(gè)光電子峰分別歸屬于Bi4f7/2和Bi4f5/2,且兩者結(jié)合能位置相差5.3 eV,表明纖維上復(fù)合的物相為單質(zhì)Bi。圖2c中Ti2p3/2和Ti2p1/2兩個(gè)光電子峰分別出現(xiàn)在458.6和464.4 eV處,表明樣品中Ti是以+4價(jià)形式存在。如圖2d所示,結(jié)合能在529~532 eV之間出現(xiàn)2個(gè)不對(duì)稱光電子峰,表明此時(shí)氧以2種狀態(tài)存在,其中,結(jié)合能為529.6 eV處的光電子峰歸屬于樣品的晶格氧(O1att),而結(jié)合能為531.8 eV處的光電子峰歸屬于纖維表面的吸附氧(Oads)。未能在樣品中檢測(cè)到稀土Yb和Er的能譜峰,可能是因?yàn)橄⊥罽b和Er摻雜量較少,且纖維表面又覆蓋有金屬Bi納米粒子所致。
圖3為TiO2納米纖維及不同纖維樣品的SEM圖。由圖3a可見,純TiO2納米纖維的長(zhǎng)徑比大,分散性良好,表面光滑,無其他物種附著(插圖)。由圖3b可見,Yb3+,Er3+∶TiO2與 TiO2的纖維形貌相似,只是部分纖維出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象,這可能是Yb3+和Er3+取代Ti4+進(jìn)入TiO2晶格造成晶格畸變引起的。經(jīng)水熱反應(yīng)后,由圖3c可見,TiO2纖維表面不再光滑,由大量納米粒子構(gòu)筑,結(jié)合上述XRD和XPS分析確定這些新生成的納米粒子為金屬Bi。進(jìn)一步觀察圖3d可見,Yb3+,Er3+∶TiO2纖維表面構(gòu)筑的金屬Bi納米粒子明顯增多,粒徑變大,表明稀土離子Yb3+和Er3+摻雜更有利TiO2纖維表面金屬Bi納米粒子的沉積和生長(zhǎng)。
圖 4為Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維的 TEM和HRTEM圖。由圖4a可見,纖維表面分散有大量納米粒子,這與SEM圖觀察到的結(jié)果相近。利用HRTEM圖進(jìn)一步觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu),得到2組不同寬度的晶格條紋(圖4b)。經(jīng)分析確認(rèn),寬度為0.35 nm的一組晶格條紋對(duì)應(yīng)于銳鈦礦TiO2的(101)晶面,而寬度為0.33 nm的一組晶格條紋則對(duì)應(yīng)于金屬Bi的(012)晶面,由此進(jìn)一步確認(rèn)TiO2纖維表面生長(zhǎng)的納米粒子為金屬Bi。
圖3 TiO2納米纖維及不同纖維樣品的SEM圖Fig.3 SEM images of TiO2nanofibers and different fiber samples
圖4 Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維的(a)TEM和(b)HRTEM圖Fig.4 (a)TEM and(b)HRTEM images of Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2composite nanofibers
圖5為不同纖維樣品的UV-Vis DRS和帶隙能譜圖。由圖5可見,TiO2納米纖維的吸收范圍小于387 nm,帶隙為3.20 eV(插圖),與文獻(xiàn)[16]相一致。Bi/TiO2樣品的吸收邊略有紅移,帶隙為3.05 eV,且在520~750 nm的可見光區(qū)出現(xiàn)一個(gè)隆起的吸收帶,經(jīng)與文獻(xiàn)[17-18]對(duì)照,這個(gè)吸收帶是由Bi納米粒子LSPR效應(yīng)引起的。Yb3+,Er3+∶TiO2吸收邊進(jìn)一步紅移,帶隙減小到2.84 eV,這主要是Yb3+和Er3+離子進(jìn)入TiO2晶格,在TiO2帶隙間形成新雜質(zhì)能級(jí)引起的[19],同時(shí)觀察到樣品在可見光至近紅外光區(qū)出現(xiàn)許多小的吸收帶。分析認(rèn)為,在510和650 nm可見光區(qū)出現(xiàn)較小的2個(gè)吸收峰是由Er3+離子吸收引起的,而在850~1 050 nm近紅外區(qū)所形成的較寬峰是Yb3+離子吸收所致。Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2樣品吸收邊紅移得最多,帶隙也減小到2.66 eV,這將更有利于光催化活性的提高。
圖5 不同纖維樣品的UV-Vis DRS和帶隙能譜圖Fig.5 UV-Vis DRS spectra and corresponding Tauc′s plots of different fiber samples
為了探究TiO2經(jīng)過修飾改性后的電荷分離效率,對(duì)樣品進(jìn)行了光致發(fā)光光譜分析。由圖6可見,TiO2納米纖維的發(fā)光強(qiáng)度最大,表明所生成的光生電子空穴對(duì)極易復(fù)合。Yb3+,Er3+∶TiO2所產(chǎn)生的熒光光譜強(qiáng)度有所減弱,說明Yb3+和Er3+共摻雜能降低光生電子空穴對(duì)的復(fù)合幾率。Bi/TiO2的熒光光譜強(qiáng)度進(jìn)一步減弱,表明金屬Bi復(fù)合比Yb3+和Er3+摻雜有利于光生電子空穴對(duì)的分離[20-21]。而Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2的熒光光譜強(qiáng)度最低,表明Bi納米粒子與Yb3+/Er3+離子協(xié)同作用,更有利于光生電子空穴對(duì)的分離。
圖6 TiO2納米纖維及不同纖維樣品的發(fā)光光譜圖Fig.6 PL of TiO2nanofibers and different fiber samples
圖7為不同纖維樣品的瞬態(tài)光電流響應(yīng)圖。在全譜光照射下,TiO2納米纖維的光電流強(qiáng)度較小,僅為0.17 mA·cm-2,樣品 Bi/TiO2和Yb3+,Er3+∶TiO2的光電流強(qiáng)度分別增加到0.26和0.32 mA·cm-2,表明稀土離子Yb3+和Er3+摻雜比金屬Bi沉積更有利于光生載流子生成。而樣品Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2的瞬態(tài)光電流強(qiáng)度增加到 0.44 mA·cm-2,明顯高于 Bi/TiO2和Yb3+,Er3+∶TiO2,表明金屬 Bi與稀土離子 Yb3+和Er3+之間的相互作用更有利于光生載流子的產(chǎn)生和遷移。
圖7 不同纖維樣品的瞬態(tài)光電流響應(yīng)圖Fig.7 Photocurrent of the different fiber samples
圖 8 是Yb3+,Er3+∶TiO2和Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2樣品,在980 nm激光照射下的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能分析對(duì)比圖。有研究表明[22],在敏化劑Yb3+離子的作用下,作為激活劑的Er3+可以產(chǎn)生多個(gè)上轉(zhuǎn)換發(fā)射峰,其中550和660 nm處的2個(gè)強(qiáng)上轉(zhuǎn)換發(fā)射對(duì)應(yīng)于Er3+的4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2躍迀。由圖 8可見,樣品Yb3+,Er3+∶TiO2在550和660 nm可見光區(qū)附近出現(xiàn)2個(gè)明顯的上轉(zhuǎn)換發(fā)射峰,表明在TiO2納米纖維介質(zhì)中稀土離子Yb3+和Er3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性得以充分體現(xiàn)。而Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2在可見光區(qū)所產(chǎn)生的發(fā)射峰強(qiáng)度明顯降低,其中550 nm處的發(fā)射峰變得極弱,表明稀土離子Yb3+和Er3+通過上轉(zhuǎn)換發(fā)光所產(chǎn)生的可見光能夠被金屬Bi納米粒子吸收。
圖 8 Yb3+,Er3+∶TiO2和Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維的上轉(zhuǎn)換光譜Fig.8 Upconversion luminous spectrum of Yb3+,Er3+∶TiO2and Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2composite nanofibers
圖9為不同纖維樣品在紫外、可見、近紅外和全光譜照射下的光催化產(chǎn)氫速率對(duì)比圖。如圖9a所示,紫外光照射下,各樣品均有H2產(chǎn)生,其中TiO2、Yb3+,Er3+∶TiO2、Bi/TiO2和Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2的產(chǎn)氫速率分別為145.7、260.5、352.1和540.9 μmol·g-1·h-1。如圖9b所示,在可見光照射下TiO2納米纖維不能分解水產(chǎn)生 H2;Yb3+,Er3+∶TiO2僅有少量H2生成,產(chǎn)氫速率為6.2 μmol·g-1·h-1;而 Bi/TiO2和Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2的產(chǎn)氫速率接近,分別為42.5和46.2 μmol·g-1·h-1,均大于 Yb3+,Er3+∶TiO2的產(chǎn)氫速率,表明金屬 Bi是影響樣品可見光催化活性的主要因素。由圖9c可見,在近紅外光照射下,TiO2納米纖維和Bi/TiO2均不能產(chǎn)生 H2,Yb3+,Er3+∶TiO2產(chǎn)氫速率為5.8 μmol·g-1·h-1;而Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2的產(chǎn)氫量迅速增加,產(chǎn)氫速率達(dá)到 106.5 μmol·g-1·h-1,表明金屬 Bi復(fù)合能夠很好地吸收Yb3+和Er3+上轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的可見光,更有利于TiO2光催化活性提高。如圖9d所示,全譜光照射下,樣品 TiO2、Yb3+,Er3+∶TiO2、Bi/TiO2和Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2均有 H2生成,產(chǎn)氫速率分別為331.5、523.7、642.8和1 650.3 μmol·g-1·h-1,與紫外光催化相比,產(chǎn)氫速率均有所增加,表明Bi納米粒子與稀土離子Yb3+/Er3+的協(xié)同改性對(duì)拓寬TiO2光譜響應(yīng)范圍及提高太陽光利用率具有積極的促進(jìn)作用。
圖9 不同纖維樣品在(a)紫外、(b)可見、(c)近紅外和(d)全光譜照射下的光催化產(chǎn)氫速率Fig.9 Hydrogen production rate of different fiber samples under the separated irradiation of(a)ultraviolet,(b)visible,(c)infrared and(d)full spectrum irradiation,respectively
圖10 Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維的紫外光催化產(chǎn)氫循環(huán)圖Fig.10 Cyclic H2evolution curves for Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2composite nanofibers
為了進(jìn)一步評(píng)估制備樣品的穩(wěn)定性和循環(huán)再利用性能,對(duì)Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維進(jìn)行了5個(gè)周期的光催化循環(huán)實(shí)驗(yàn)。如圖10所示,經(jīng)25 h紫外光照,Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2的光催化活性僅略有減小。其他波段的光催化循環(huán)產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn),同樣取得較好效果,這表明Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維具有完好的可重復(fù)使用性和穩(wěn)定性。
圖11 樣品Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2全譜光催化分解水產(chǎn)氫機(jī)理示意圖Fig.11 Proposed mechanism for photocatalytic H2 production of the sample
依據(jù)上述表征結(jié)果并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[9-13],給出Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2光催化產(chǎn)氫機(jī)理,如圖 11 所示。一是TiO2屬寬帶隙半導(dǎo)體,僅能被紫外光激發(fā)產(chǎn)生高活性光生電子和空穴。二是Bi納米粒子具有類似貴金屬(Au和Ag)的LSPR效應(yīng)[23-24],能夠被可見光激發(fā)誘導(dǎo)產(chǎn)生熱電子,與TiO2緊密接觸時(shí)形成肖特基結(jié),在內(nèi)電場(chǎng)作用下,金屬Bi表面的熱電子克服肖特基勢(shì)壘,可以直接遷移到TiO2導(dǎo)帶,成為TiO2光催化產(chǎn)氫所需電子供應(yīng)站,源源不斷提供高能電子。三是稀土離子Yb3+和Er3+可以吸收低能量近紅外光,將其上轉(zhuǎn)換成高能量的可見光和紫外光,其中紫外光被TiO2吸收在導(dǎo)帶上聚集光生電子,空穴留在價(jià)帶??梢姽獗唤饘貰i吸收產(chǎn)生熱電子,穿過金屬Bi與TiO2形成的肖特基結(jié),轉(zhuǎn)移到TiO2的導(dǎo)帶,為TiO2光催化產(chǎn)氫注入更多的高能電子。聚集在TiO2導(dǎo)帶上的高能光電子與溶液中的H+反應(yīng)生成H2,殘留在TiO2價(jià)帶和金屬Bi表面多余的空穴則被犧牲劑TEOA消耗,以達(dá)到平衡電荷的作用。
采用電紡技術(shù)和高溫焙燒工藝制備Yb3+和Er3+共摻雜的TiO2納米纖維,以NaH2PO2為還原劑,結(jié)合水熱法在其表面沉積金屬Bi納米粒子,成功合成了Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維光催化劑。Yb3+和Er3+摻雜進(jìn)入TiO2晶格,降低了光生電子空穴對(duì)的復(fù)合幾率;將近紅外光上轉(zhuǎn)換成高能紫外光和可見光,拓寬了光譜響應(yīng)范圍。沉積的金屬Bi納米粒子通過LSPR效應(yīng),為TiO2源源不斷地提供高能熱電子,使TiO2光催化活性顯著提高。樣品Bi/Yb3+,Er3+∶TiO2復(fù)合納米纖維的全光譜光催化產(chǎn)氫速率達(dá)到1 650.3 μmol·g-1·h-1。
無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)2020年8期