三維WO3rGO復(fù)合物的制備及光解水制氫性能研究

摘要通過水熱法制備出WO3/rGO復(fù)合物用于在可見光下光解水制氫。采用XRD和SEM表征手段對其組成、形貌進行研究，同時進行光解水制氫性能測試并對其機理進行探討。研究結(jié)果表明：WO3樣品呈海草狀，具有豐富的空隙，可以更大程度上提升光解水制氫性能，WO3/rGO復(fù)合物與未復(fù)合石墨烯的WO3樣品比較，其形貌沒有明顯變化。并且rGO的導(dǎo)電性在提高光感應(yīng)電荷載流子分離效率中也起著關(guān)鍵作用。WO3/rGO復(fù)合物產(chǎn)氫速率為236μmol/h，而WO3樣品的產(chǎn)氫速率為212μmol/h，氧化石墨與WO3復(fù)合后樣品對光解水制氫性能得到提升。增強的光解水制氫性能歸因于rGO的優(yōu)異電導(dǎo)率和WO3/rGO復(fù)合物的納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。引言進入二十一世紀之后，能源問題日益成為人類生存和發(fā)展的最重要問題之一。伴隨著環(huán)境的嚴峻惡化，對于新能源的開發(fā)和環(huán)境的治理也受到越來越多的關(guān)注。因此，探索可持續(xù)和清潔能源已然成為人類下一步戰(zhàn)略計劃的重要發(fā)展方向。氫氣作為一種環(huán)保的、可再生的能源，是化石燃料的理想替代品。在燃料電池和新能源汽車方面，氫氣已經(jīng)有了應(yīng)用。如何大量并且廉價的獲取氫氣已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點。在諸多制氫方法中，半導(dǎo)體光催化制氫和太陽能分解水制氫氣被認為是可行的解決方案，并且由于其高效和無污染等優(yōu)點，使其具有緩解當前的環(huán)境和能源問題的潛力。近年來，越來越多的半導(dǎo)體材料如TiO2、CdS、MoS2、WO3等被用來制作光解水制氫材料。在眾多催化劑中，三氧化鎢

(WO3)是其中有效的可見光敏感型光催化劑，因為它的價帶最大值

(VBM)

位于相對較高的能級，而導(dǎo)帶最小值

(CBM)

的能量水平低于諸如TiO2等光催化劑。種種優(yōu)勢使WO3成為優(yōu)秀的光催化材料。但是，原始的光催化劑WO3的性能仍然受到光催化反應(yīng)過程中光誘導(dǎo)載流子效率的限制，而導(dǎo)致光催化效率降低。石墨烯不僅可以分離光生電子并減少光誘導(dǎo)電荷的復(fù)合，而且由于其資源豐富、制備方法簡單、成本低、帶隙窄以及在可見光范圍內(nèi)激發(fā)光電催化活性的能力強，可能使其成為一種有前途的光電催化材料。WO3的制備方法分為物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、溶膠凝膠法、電化學(xué)法和水熱法等。不同的制備方法可能會產(chǎn)生不同形貌、尺寸和微觀結(jié)構(gòu)等的產(chǎn)物，特定的形貌結(jié)果會對其性能產(chǎn)生很大的影響。使用噴霧熱解法合成了具有可控微晶和粒徑的WO3顆粒，并通過研究發(fā)現(xiàn)了微晶和顆粒大小與光催化活性的關(guān)系，微晶尺寸25～105nm的WO3顆粒光催化活性最佳。通過溶膠-凝膠法制備了WO3薄膜，通過改變PEG分散劑的含量來研究WO3薄膜催化反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣量。結(jié)果表明，PEG≥4的膜具有較高的產(chǎn)氫效率。隨著研究的不斷深入，人們開始嘗試各種方法來提高光催化劑的產(chǎn)氫速率，例如在其中摻雜元素、復(fù)合功能碳材料以及異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建。其中，石墨烯材料的飛速發(fā)展也為光解水提供了新的研究機會。石墨烯是良好的電子受體和導(dǎo)電材料。它可以接納半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子，并迅速傳導(dǎo)到活性位點。同時，石墨烯能夠促進光生載流子的分離，并促進水的還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，石墨烯起到了代替貴金屬催化劑的作用。通過將兩面WO3與還原氧化石墨烯納米片結(jié)合，制備了2D/2D三氧化鎢(WO3)板/還原氧化石墨烯(RGO)復(fù)合材料，提高了光催化的效率，為制備具有高光催化性能的石墨烯基金屬氧化物雜化提供了一種有效途徑。采用簡單的超聲化學(xué)方法合成了生物質(zhì)活性炭修飾的三氧化鎢(WO3/B-AC)納米復(fù)合材料，并呈現(xiàn)出活性炭納米片封裝的氧化鎢納米薄片的聚集結(jié)構(gòu)，具有良好的催化性能。本實驗通過水熱法制備WO3/rGO復(fù)合物，并研究該納米材料的微觀形貌和在光解水制氫方面的性能，為制備出能夠高效光解水制氫的納米材料提供了理論依據(jù)。結(jié)論本文采用水熱法合成了WO3/rGO復(fù)合物，并測試了該樣品在可見光下的光解水制氫性能。研究表明，WO3/rGO的產(chǎn)氫速率為236μmol/h，而WO3的產(chǎn)氫速率為212μmol/h，合成的WO3/rGO復(fù)合物體現(xiàn)出了更高的光催化活性。這種高光催化活性源于海草狀WO3和作為助催化劑組分的石墨烯之間的正協(xié)同作用，其能夠有效地抑制電子-空穴復(fù)合，改善界面電子-空穴轉(zhuǎn)移速率，并提供還原活性位點，同時WO3樣品能夠均勻分布在石墨烯上，從而提高了WO3納米球與水分子接觸面積，水分子能夠捕獲更多的游離電子，提高了產(chǎn)氫量。

目錄1

實驗部分1.1

主要儀器與試劑1.2

氧化石墨的制備1.3

WO3/rGO復(fù)合物的制備1.4

光催化性能測試1.5

表征方法采用X射線衍射儀

(Cu-Kα，λ

=0.15406nm)

對一系列樣品進行XRD測試，研究其晶體結(jié)構(gòu)。采用JSM-7610F場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)

對樣品的形貌和結(jié)構(gòu)表征。2

結(jié)果與討論2.1

XRD分析圖1為WO3和WO3/rGO復(fù)合物的XRD表征。由圖可知，焙燒過的樣品主要為六方相

(220)

的WO3，晶格參數(shù)為a=0.732nm,

b=0.732nm,

c=0.389nm，與標準卡片號33-1387一致。2.2

形貌分析圖2a顯示了氧化石墨(GO)

層狀結(jié)構(gòu)，具有相對較薄的具有明顯皺紋的二維層狀結(jié)構(gòu)。圖2b顯示了WO3樣品是海草狀，可以看出該材料具有豐富的空隙，可以更大程度上提升光解水制氫性能。圖2c、2d為WO3/rGO復(fù)合物不同倍率下的SEM圖，可以明顯的看出，與未復(fù)合的石墨烯的WO3樣品比較，其形貌沒有明顯變化。2.3

WO3/rGO復(fù)合物的光催化制氫性能分析為了探究WO3/rGO復(fù)合物在光解水制氫方面的性能，分別對復(fù)合石墨烯前后兩個樣品進行光解水制氫測試。圖3為WO3和