基于WO3-x量子点和TiO2构建高效Z型光催化产氢催化剂

doi:10.1016/S1872-2067(16)62576-7

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (2): 253-259.DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62576-7

基于WO_3-x量子点和TiO₂构建高效Z型光催化产氢催化剂

潘伦^a,b, 张靖雯^a,b, 贾旭^a,b, 马煜航^a, 张香文^a,b, 王莅^a,b, 邹吉军^a,b

a 天津大学化工学院绿色合成与转化教育部重点实验室, 天津 300072;
b 天津化学化工协同创新中心, 天津 300072

收稿日期:2016-08-28 修回日期:2016-10-15 出版日期:2017-02-18 发布日期:2017-03-14
通讯作者: Ji-Jun Zou,Tel/Fax:+86-22-27892340;E-mail:jj_zou@tju.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金（21506156，21676193）；天津市自然科学基金（15JCZDJC37300，16JCQNJC05200）.

Highly efficient Z-scheme WO_3-x quantum dots/TiO₂ for photocatalytic hydrogen generation

Lun Pan^a,b, Jingwen Zhang^a,b, Xu Jia^a,b, Yu-Hang Ma^a, Xiangwen Zhang^a,b, Li Wang^a,b, Ji-Jun Zou^a,b

a Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China;
b Collaborative Innovative Center of Chemical Science and Engineering(Tianjin), Tianjin 300072, China

Received:2016-08-28 Revised:2016-10-15 Online:2017-02-18 Published:2017-03-14
Contact: 10.1016/S1872-2067(16)62576-7
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21506156, 21676193) and the Tianjin Municipal Natural Science Foundation (15JCZDJC37300, 16JCQNJC05200).

摘要/Abstract

摘要：

TiO₂具有高效、廉价、无毒及光化学稳定性好等优点，因而被广泛应用于光能转化和利用领域，如太阳能电池、光催化分解水制氢和环境污染物降解等.但是，TiO₂仍然存在一些缺陷制约了其应用，其中，最关键的问题是光生电荷分离效率低.因此，人们对其进行了掺杂、异质结构建和Z型结构建等来解决这一问题，其中Z型结近年来备受关注.
全固体Z型结的构建目前主要有两种方式：PSI-C-PSII和PSI-PSII.前者PSI与PSII间要插入中间导电层（如Au、rGO等）来实现界面欧姆接触；后者则无中间层，而是基于界面设计来实现欧姆接触.本文以构建PSI-PSII Z型结为目标，以TiO₂和WO₃为基础半导体材料，采用原位溶剂热生长的方法构建WO₃量子点/TiO₂结构，借助氢气还原反应在界面处引入氧缺陷.采用透射电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱研究了复合晶体结构，采用X射线光电子能谱、紫外可见光谱和荧光光谱等手段研究了Z型结的界面结构和能带结构.结合光催化分解水产氢活性来建立Z型结结构与光催化性能的关联关系.
表征结果表明，在TiO₂上进行原位溶剂热成核反应可点缀WO₃量子点，并且量子点粒径随W前驱体用量的增加而变大.两种半导体材料为TiO₂锐钛矿和WO₃晶体结构，且WO₃的XRD特征峰和Raman特征吸收峰会随W前驱体用量增加而变大.通过对WO₃/TiO₂进行氢气还原处理，使其表面形成大量W⁵⁺和氧缺陷，一方面提高了催化剂对可见光的吸收，另一方面在界面形成欧姆接触，实现了Z型结构的构建.Z型结构实现了光催化分解水产氢反应，其中WTH10光催化活性最好.本文为新型Z型光催化剂的设计和构建提供了新思路和策略.

关键词: WO_3-x, 二氧化钛, 产氢, 量子点, W⁵⁺/氧缺陷

Abstract:

Z-scheme semiconductors are a promising class of photocatalysts for hydrogen generation. In this work, Z-scheme semiconductors composed of WO_3-x quantum dots supported on TiO₂ (WO_3-x QDs/TiO₂) were fabricated by solvothermal and hydrogen-reduction methods. Characterization by transmission electron microscopy and X-ray diffraction indicated that the amount and size of the WO_3-x QDs could be tuned by modulating the addition of the W precursor. Evidence from X-ray photoelectron spectroscopy and photoluminescence spectroscopy suggested that the hydrogen reduction of the composite induced the formation of oxygen vacancy (W⁵⁺/VO) defects in WO₃. These defects led to ohmic contact between WO_3-x and TiO₂, which altered the charge-transfer pathway from type II heterojunction to Z-scheme, and maintained the highly reductive and oxidative ability of TiO₂ and WO_3-x, respectively. Therefore, the Z-scheme sample showed 1.3-fold higher photoactivity than pure TiO₂ in hydrogen generation. These results suggest that the formation of W⁵⁺/VO defects at the interface is highly beneficial for the fabrication of Z-scheme photocatalysts.

Key words: WO_3-x, Titanium oxide, Hydrogen generation, Quantum dots, W⁵⁺/oxygen vacancy defect

潘伦, 张靖雯, 贾旭, 马煜航, 张香文, 王莅, 邹吉军. 基于WO_3-x量子点和TiO₂构建高效Z型光催化产氢催化剂[J]. 催化学报, 2017, 38(2): 253-259.

Lun Pan, Jingwen Zhang, Xu Jia, Yu-Hang Ma, Xiangwen Zhang, Li Wang, Ji-Jun Zou. Highly efficient Z-scheme WO_3-x quantum dots/TiO₂ for photocatalytic hydrogen generation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(2): 253-259.

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参考文献

[1] A. L. Linsebigler, G. Lu, J. T. Yates, Chem. Rev., 2002, 95, 735-758.
[2] Y. Ma, X. L. Wang, Y. S. Jia, X. B. Chen, H. H. Han, C. Li, Chem. Rev., 2014, 114, 9987-10043.
[3] S. B. Wang, L. Pan, J. J. Song, W. B. Mi, J. J. Zou, L. Wang, X. W. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2975-2983.
[4] L. Pan, J. J. Zou, X. W. Zhang, L. Wang, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 10000-10002.
[5] L. Pan, S. B. Wang, J. W. Xie, L. Wang, X. W. Zhang, J. J. Zou, Nano Energy, 2016, 28, 296-303.
[6] L. Pan, X. W. Zhang, L. Wang, J. J. Zou, Mater. Lett., 2015, 160, 576-580.
[7] P. Zhou, J. G. Yu, M. Jaroniec, Adv. Mater., 2014, 26, 4920-4935.
[8] E. C. Su, B. S. Huang, M. Y. Wey, Solar Energy, 2016, 134, 52-63.
[9] W. K. Jo, T. Adinaveen, J. J. Vijaya, N. C. Sagaya Selvam, RSC Adv., 2016, 6, 10487-10497.
[10] W. K. Jo, T. S. Natarajan, Chem. Eng. J., 2015, 281, 549-565.
[11] H. Zhao, M. Wu, J. Liu, Z. Deng, Y. Li, B. L. Su, Appl. Catal. B, 2016, 184, 182-190.
[12] K. Ma, O. Yehezkeli, D. W. Domaille, H. H. Funke, J. N. Cha, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 11490-11494.
[13] Y. R. Li, L. L. Li, Y. Q. Gong, S. Bai, H. X. Ju, C. M. Wang, Q. Xu, J. F. Zhu, J. Jiang, Y. J. Xiong, Nano Res., 2015, 8, 3621-3629.
[14] W. K. Jo, T. Sivakumar Natarajan, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 17138-17154.
[15] K. Maeda, ACS Catal., 2013, 3, 1486-1503.
[16] E. N. K. Glover, S. G. Ellington, G. Sankar, R. G. Palgrave, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 6946-6954.
[17] Z. F. Huang, J. J. Song, L. Pan, X. W. Zhang, L. Wang, J. J. Zou, Adv. Mater., 2015, 27, 5309-5327.
[18] X. Jia, M. Tahir, L. Pan, Z. F. Huang, X. W. Zhang, L. Wang, J. J. Zou, Appl. Catal. B, 2016, 198, 154-161.
[19] L. Ma, H. Han, L. Pan, M. Tahir, L. Wang, X. W. Zhang, J. J. Zou, RSC Adv., 2016, 6, 63984-63990.
[20] L. Pan, S. B. Wang, J. J. Zou, Z. F. Huang, L. Wang, X. W. Zhang, Chem. Commun., 2014, 50, 988-990.
[21] L. Pan, J. J. Zou, S. B. Wang, Z. F. Huang, A. Yu, L. Wang, X. W. Zhang, Chem. Commun., 2013, 49, 6593-6595.
[22] L. Pan, G. Q. Shen, J. W. Zhang, X. C. Wei, L. Wang, J. J. Zou, X. W. Zhang, Ind. Eng. Chem. Res., 2015, 54, 7226-7232.
[23] M. V. Dozzi, S. Marzorati, M. Longhi, M. Coduri, L. Artiglia, E. Selli, Appl. Catal. B, 2016, 186, 157-165.
[24] A. A. Ismail, I. Abdelfattah, A. Helal, S. A. Al-Sayari, L. Robben, D. W. Bahnemann, J. Hazard. Mater., 2016, 307, 43-54.
[25] F. Tian, Y. P. Zhang, J. Zhang, C. X. Pan, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 7515-7519.
[26] Z. F. Huang, J. J. Song, L. Pan, X. Jia, Z. Li, J. J. Zou, X. W. Zhang, L. Wang, Nanoscale, 2014, 6, 8865-8872.
[27] J. J. Song, Z. F. Huang, L. Pan, J. J. Zou, X. W. Zhang, L. Wang, ACS Catal., 2015, 5, 6594-6599.
[28] A. K. L. Sajjad, S. Shamaila, B. Z. Tian, F. Chen, J. L. Zhang, Appl. Catal. B, 2009, 91, 397-405.
[29] G. C. Xi, S. X. Ouyang, P. Li, J. H. Ye, Q. Ma, N. Su, H. Bai, C. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 2395-2399.
[30] L. Pan, S. B. Wang, W. B. Mi, J. J. Song, J. J. Zou, L. Wang, X. W. Zhang, Nano Energy, 2014, 9, 71-79.
[31] M. B. Johansson, B. Zietz, G. A. Niklasson, L. Österlund, J. Appl. Phys., 2014, 115, 213510/1-213510/7.
[32] F. G. Wang, C. D. Valentin, G. Pacchioni, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 8345-8353.
[33] F. G. Wang, C. D. Valentin, G. Pacchioni, Phys. Rev. B, 2011, 84, 073103/1-073103/5.
[34] X. B. Chen, L. Liu, P. Y. Yu, S. S. Mao, Science, 2011, 331, 746-750.
[35] Z. F. Huang, J. J. Zou, L. Pan, S. B. Wang, X. W. Zhang, L. Wang, Appl. Catal. B, 2014, 147, 167-174.

基于WO_3-x量子点和TiO₂构建高效Z型光催化产氢催化剂

Highly efficient Z-scheme WO_3-x quantum dots/TiO₂ for photocatalytic hydrogen generation

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[1]	赵彬彬, 钟威, 陈峰, 王苹, 别传彪, 余火根. 高晶化g-C₃N₄光催化剂: 合成、结构调控和光催化产氢[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 127-143.
[2]	刘博文, 蔡家杰, 张建军, 谭海燕, 程蓓, 许景三. MOF/CdS梯型光催化剂同时进行苯甲醇氧化和析氢反应及其机理研究[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 204-215.
[3]	乔秀清, 李晨, 王紫昭, 侯东芳, 李东升. TiO_2-_x@C/MoO₂肖特基结: 合理设计及高效电荷分离提升光催化性能[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 66-79.
[4]	刘德法, 孙彬, 白硕杰, 高婷婷, 周国伟. 双助催化剂Ag/Ti₃C₂/TiO₂分层花状微球用于增强光催化产氢活性[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 273-283.
[5]	李宁, 高雪云, 苏俊珲, 高旸钦, 戈磊. 类金属WO₂/g-C₃N₄复合光催化剂的构造及其优异的光催化性能[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 161-170.
[6]	解志鹏, 杨修贝, 张沛, 柯夏婷, 袁昕, 翟黎鹏, 王文滨, 秦娜, 崔乘幸, 屈凌波, 陈雄. 具有可控载流子动力学的烯烃连接的共价有机框架用于高效太阳能光催化制氢[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 171-180.
[7]	王伟康, 梅少斌, 蒋浩朋, 王乐乐, 唐华, 刘芹芹. 二氧化钛基S型异质结光催化剂的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 55(12): 137-158.
[8]	朱可涵, 蒋海凤, 陈高锋, 吴昊, 丁良鑫, 王海辉. 耦合氨氧化和水还原反应实现电化学共合成硝酸盐和氢气[J]. 催化学报, 2023, 55(12): 216-226.
[9]	伍超, 吕康乐, 李鑫, 李覃. 光催化产氢双助催化剂: 类别、合成和设计策略[J]. 催化学报, 2023, 54(11): 137-160.
[10]	宋少青. 晶格匹配的异质结构用于电催化水解离制氢能[J]. 催化学报, 2023, 53(10): 31-33.
[11]	胡海均, 张开来, 闫格, 史丽童, 贾宝华, 黄洪伟, 张宇, 孙晓东, 马天翼. 通过孔道功能化策略将CdS精准修饰到Zr-MOFs表面构筑高效光解水催化剂[J]. 催化学报, 2022, 43(9): 2332-2341.
[12]	王爱霞, 张临河, 李旭力, 高旸钦, 李宁, 卢贵武, 戈磊. 三元复合材料Ni₂P@UiO-66-NH₂/Zn_0.5Cd_0.5S的合成及其显著提升光催化产氢性能[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1295-1305.
[13]	王晶晶, 胡程, 张以河, 黄洪伟. CdS压电和应变敏感度调控工程用于压电催化产氢[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1277-1285.
[14]	Muhammad Tayyab, 刘玉洁, 敏世雄, Rana Muhammad Irfan, 朱乔虹, 周亮, 雷菊英, 张金龙. 无贵金属光催化剂VC/CdS纳米线将苯甲醇选择性氧化为苯甲醛并产氢[J]. 催化学报, 2022, 43(4): 1165-1175.
[15]	钟威, 许家超, 王苹, 朱必成, 范佳杰, 余火根. 新型核壳Ag@AgSe_x纳米粒子析氢助剂: 原位表面硒化以提升TiO₂的光催化产氢活性[J]. 催化学报, 2022, 43(4): 1074-1083.