水熱合成MoS2-TiO2NTs和FeS2-TiO2NTs復(fù)合電極及其光助電催化還原CO2制備甲醇.pdf

1、過(guò)去的幾十年，二氧化碳的大氣濃度因?yàn)槿祟?lèi)活動(dòng)的擴(kuò)展而迅速擴(kuò)張，從而加速了溫室效應(yīng)的發(fā)生，并帶來(lái)了一系列危害。如何降低大氣中二氧化碳的濃度，一直是科研工作者的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，隨著工業(yè)高速發(fā)展，礦物質(zhì)燃料的消耗日益加劇。因此，二氧化碳資源化技術(shù)研究受到了普遍的關(guān)注，尤其是將二氧化碳催化還原為醇類(lèi)等礦物質(zhì)燃料的這一課題更是得到了廣泛重視，其中光電催化還原成為新的研究熱點(diǎn)。目前光催化還原CO2主要是在有機(jī)溶劑中、高溫下利用紫外光還原CO2

2、，其還原效率低，能耗高。而電催化還原CO2隨著反應(yīng)的進(jìn)行催化劑法拉第電流效率逐漸降低，還原效率隨之下降。所以本課題旨在探索一種在常溫、水溶液中，利用可見(jiàn)光來(lái)輔助電催化從而達(dá)到高的法拉第電流效率催化還原CO2的綠色新技術(shù)。
　　 光電催化還原CO2的一個(gè)主要研究?jī)?nèi)容就是光電催化劑的選擇及其制備工藝。TiO2作為一種禁帶寬度適中，化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性良好，廉價(jià)無(wú)毒的半導(dǎo)體材料，是光電催化領(lǐng)域應(yīng)用最多、最廣泛的一種催化劑。二氧化鈦納米

3、管(TiO2 NTs)相對(duì)于TiO2納米粒子、納米膜等結(jié)構(gòu)，具有更大的比表面、更多的活性位點(diǎn)、更高的光催化活性，而備受青睞。但是，TiO2的帶隙較寬(3.2 eV)，主要利用太陽(yáng)能中4％左右的紫外光能量，對(duì)可見(jiàn)光的利用率低，從而影響了其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇MoS2和FeS2作為敏化劑，兩者都具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、光電性能和適宜的能帶隙(MoS21.17 eV, FeS20.95 eV)，并且在可見(jiàn)光范圍有強(qiáng)吸收

4、，實(shí)驗(yàn)中采用改進(jìn)的陽(yáng)極氧化法在鈦基底上原位制備了排列整齊、大小均一的二氧化鈦納米管，然后通過(guò)水熱法將制備的MoS2 Rods和FeS2 NPs負(fù)載在TiO2NTs半導(dǎo)體載體上，制備出一種高催化活性和寬響應(yīng)范圍的可用于還原CO2的新型光電催化劑。
　　 在復(fù)合電極的制備過(guò)程中采用了簡(jiǎn)單易行的水熱合成法，即首先通過(guò)改進(jìn)的陽(yáng)極氧化法制備TiO2NTs基底，然后將制備的TiO2 NTs基底連同制備MoS2 Rods和FeS2 NPs的試

5、劑一起放入反應(yīng)釜內(nèi)，然后在適宜的溫度下經(jīng)過(guò)相應(yīng)的時(shí)間，得到均勻摻雜的、性能優(yōu)異的光電復(fù)合電極。以復(fù)合電極的光電性能為考察指標(biāo)，考察了復(fù)合電極制備中的陽(yáng)極氧化時(shí)間、氧化電位、水熱溫度、時(shí)間以及MoS2 Rods或FeS2 NPs負(fù)載量的影響，得出制備復(fù)合電極的最佳制備條件。將在最佳條件下制備的復(fù)合電極用于還原CO2，考察了光助電催化反應(yīng)中的影響因素，進(jìn)而優(yōu)化了CO2光助電催化還原反應(yīng)條件。在光強(qiáng)為100 mWcm-2，外加電壓為-1.3

6、V下反應(yīng)6h后還原CO2的主要產(chǎn)物甲醇量最高可達(dá)14.49 mmol L-1，相對(duì)于單一的電催化，光助電催化顯示很好的優(yōu)越性。最后，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和查閱文獻(xiàn)，對(duì)光助電催化還原CO2反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析和探討。
　　 對(duì)制備的復(fù)合電極采用SEM、XRD、XPS、UV-Vis、EIS、LSV等手段證進(jìn)行了表征。通過(guò)表征可以看到MoS2 Rods和FeS2 NPs成功的負(fù)載到了TiO2NTs基底上，而且擁有優(yōu)越的光電性能。通過(guò)氣相分析

7、，產(chǎn)物主要為甲醇，而且產(chǎn)量得到提高。本課題中制備光電復(fù)合電極所采用的方法簡(jiǎn)單快速，節(jié)約能源;復(fù)合電極擁有很好的光吸收但由于能帶的不匹配而不具備單獨(dú)光催化還原CO2的能力，此外電催化雖然能夠還原二氧化碳但是產(chǎn)率非常低，而且法拉第效率隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸降低。我們采用光助電催化很好的解決了這一問(wèn)題，充分的利用了電極本身的光性能而對(duì)電催化還原CO2有很大的促進(jìn)作用。實(shí)現(xiàn)了常溫可見(jiàn)光下、水溶液中CO2的還原，為將來(lái)光助電催化的實(shí)際應(yīng)用提供了參考，