催化学报 ›› 2016, Vol. 37 ›› Issue (6): 855-862.DOI: 10.1016/S1872-2067(15)61105-6

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新型可见光响应的InVO4-Cu2O-TiO2三元纳米异质结:制备及其光催化性能

冯海波a,b, 李亚萍a, 罗冬明a, 谭功荣a, 蒋剑波a, 袁惠敏a, 彭三军a, 钱东a,b   

  1. a 中南大学化学化工学院, 湖南长沙 410083;
    b 中南大学粉末冶金国家重点实验室, 湖南长沙 410083
  • 收稿日期:2016-01-31 修回日期:2016-04-13 出版日期:2016-05-30 发布日期:2016-05-30
  • 通讯作者: Dong Qian
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(21171174); 湖南省自然科学基金(09JJ3024); 湖南省环境科学技术基金.

Novel visible-light-responding InVO4-Cu2O-TiO2 ternary nanoheterostructure: Preparation and photocatalytic characteristics

Haibo Fenga,b, Yaping Lia, Dongming Luoa, Gongrong Tana, Jianbo Jianga, Huimin Yuana, Sanjun Penga, Dong Qiana,b   

  1. a College of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China;
    b State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China
  • Received:2016-01-31 Revised:2016-04-13 Online:2016-05-30 Published:2016-05-30
  • Contact: Dong Qian
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21171174), Provincial Natural Science Foundation of Hunan (09JJ3024), and Provincial Environmental Science and Technology Foundation of Hunan.

摘要:

由于日益严重的环境和能源危机, 可见光催化剂的开发已成为当今最具挑战和紧迫的任务之一. 将 TiO2 和其它窄禁带半导体复合, 已被证明是一种有效的可提高其可见光光催化性能的策略. Cu2O 是一种禁带宽度为 2.0 eV 的 p 型窄禁带半导体, InVO4 则是一种禁带宽度为 2.0 eV 的 n 型半导体, 因它们可用于可见光光解水产氢和有机污染物的可见光降解而在过去的数年中引起了人们广泛的关注. 但是纯的 Cu2O 和 InVO4 由于光生电子空穴对在其内部快速地复合, 光催化活性通常都比较低. 基于能带工程的策略本文设计了一种新型的可见光响应的 InVO4-Cu2O-TiO2 三元纳米异质结, 并通过普通的湿化学法进行制备: 先通过水热法制备 InVO4, 再通过溶胶-凝胶法制备 InVO4-TiO2 二元复合物, 最后通过沉淀和还原过程制备得到 InVO4-Cu2O-TiO2 三元纳米异质结.
在 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 三元纳米异质结的 X-射线衍射谱中没有观察到明显的杂质峰; 通过透射电子显微技术和高分辨透射电子显微技术观察到了它们之间异质结的形成, 纳米颗粒的尺寸范围在 5-20 nm; 经紫外可见漫反射光谱估算得到 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 的禁带宽度为 2.78 eV, 在可见光区域具有较强的吸收. 以普通的 9 W 节能灯作为可见光光源光照甲基橙 5 h 后, 纯的 InVO4, TiO2 和 Cu2O 几乎没有光催化活性; 10%InVO4-90%TiO2 的光催化活性也很低, 甲基橙降解率为 8%; 70%Cu2O-30%TiO2 对甲基橙降解率达 84%, 但初始活性较低; 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 对甲基橙降解率接近 90%, 并且循环使用 6 次后, 其光催化活性的保持率还维持在 90% 以上, 而 50%Cu2O-50%TiO2 光催化活性的保持率只有 74%.
经对使用过的 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 进行 X 射线光电子能谱表征发现, 存在一弱小的 Cu(II) 震动卫星峰, 表明在 InVO4-Cu2O-TiO2 的光催化过程中 Cu2O 的光蚀并不严重. 从能带工程的角度分析, InVO4-Cu2O-TiO2 三元纳米异质结具有优异的可见光催化性能的主要原因为: InVO4 的导带电极电位约为-0.5 eV(vs. SHE, 下同), 价带电位约为+1.5 eV, Cu2O 的分别约为-1.6 和+0.4 eV, 与 TiO2(导带和价带电极电位分别约为-0.23 和+2.97 eV) 相比, 它们的导带位置更负, 将它们组装成三元复合结构, 可见光激发的导带电子就可能从 InVO4 和 Cu2O 的导带迁移到 TiO2 的导带上去. 同时, n 型的 TiO2 和 InVO4 都与 p 型的 Cu2O 形成 p-n 异质结, n 型的 TiO2 和 InVO4 之间形成 n-n 异质结, 由于 p-n 异质结中内电场的存在以及不同能级相互耦合, 可进一步促进可见光激发的导带电子从 InVO4 和 Cu2O 的导带迁移到 TiO2 的导带上去, 以及可见光激发的价带空穴从 InVO4 的价带迁移到 Cu2O 的价带上去, 从而实现光生载流子空间上的有效分离. 本文有望为新型可见光响应的半导体复合催化剂的设计和制备提供新的思路.

关键词: 钒酸铟, 氧化亚铜, 二氧化钛, 纳米异质结, 可见光, 光催化降解, 甲基橙

Abstract:

A novel visible-light-responding InVO4-Cu2O-TiO2 ternary nanoheterostructure was designed on the basis of the strategy of energy gap engineering and prepared through ordinary wet chemistry methods. The as-prepared nanoheterostructure was characterized by X-ray powder diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and diffuse reflectance ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis/DRS). The TEM and HRTEM images of 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 confirm the formation of nanoheterostructures resulting from contact of the nanosized TiO2, Cu2O and InVO4 in the size of 5-20 nm in diameter. The InVO4-Cu2O-TiO2 nanoheterostructure, when compared with TiO2, Cu2O, InVO4, InVO4-TiO2 and Cu2O-TiO2, shows significant enhancement in the photocatalytic performance for the degradation of methyl orange (MO) under visible-light irradiation. With a 9 W energy-saving fluorescent lamp as the visible-light source, the MO degradation rate of 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 reaches close to 90% during 5 h, and the photocatalytic efficiency is maintained at over 90% after six cycles. This may be mainly ascribed to the matched bandgap configurations of TiO2, Cu2O and InVO4, and the formations of two p-n junctions by the p-type semiconductor Cu2O with the n-type semiconductors TiO2 and InVO4, all of which favor spatial photogenerated charge carrier separation. The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) characterization for the used 10%InVO4-40%Cu2O-50%TiO2 reveals that only a small shakeup satellite peak appears for Cu(II) species, implying bearable photocorrosion of Cu2O. This work could provide new insight into the design and preparation of novel visible-light-responding semiconductor composites.

Key words: Indium orthovanadate, Cuprous oxide, Titanium dioxide, Nanoheterostructure, Visible light, Photocatalytic degradation, Methyl orange