CoP/TiO2异质结的构建及光催化制氢性能研究

郭俊兰 ,  刘雅楠 ,  程睿 ,  孙晓慧 ,  田园园

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 163 -169.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 163-169. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.029
科研与开发

CoP/TiO2异质结的构建及光催化制氢性能研究

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Preparation of CoP/TiO2 heterojunction and study on its performance in photocatalytic hydrogen production

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摘要

将由MOF材料衍生的CoP量子点负载于TiO2超薄纳米片表面,构建出0D/2D异质结(CoP/TiO2)用于光催化分解水制氢反应。TiO2超薄二维结构的高比表面积特性可为CoP量子点的负载提供理想基底,有助于其在表面均匀分散构建界面位点。0D/2D异质结独特的结构不仅有利于在界面处构建丰富的活性位点,还能有效增强电荷的传输效率,提高产氢效率。当CoP的负载量为5%时,复合催化剂5% CoP/TiO2表现出最高的产氢速率[2 375.30 μmol/(g·h)],约是TiO2和CoP单独使用时的23倍和170倍。光学性质和电化学分析表明,复合催化剂CoP/TiO2的可见光吸收性能明显增强,载流子传输效率显著提高,结合能带结构分析得知,该异质结的电荷传输方式为S型,揭示了催化反应机理。

Abstract

In this study,the 0D/2D heterojunction (CoP/TiO2) is constructed through loading MOF-derived CoP quantum dots onto ultrathin TiO2 nanosheets,and applied for photocatalytic water splitting to hydrogen production reaction.The high specific surface area characteristics of ultrathin TiO2 two-dimensional structure provides an ideal substrate for the loading of CoP quantum dots,facilitating its uniform dispersion to construct interfacial sites.The unique structure of 0D/2D heterojunction is beneficial for the construction of abundant active sites at the interfaces,and also enhances effectively the charge transfer efficiency,thus improving the hydrogen evolution efficiency.The 5%-CoP/TiO2 catalyst with a CoP content of 5% delivers the highest hydrogen production rate of 2 375.30 μmol/(g·h), which is approximately 23 times and 170 times,respectively that pure TiO2 and pure CoP alone does.Photophysical and electrochemical analysis reveals that the 0D/2D heterojunction exhibits enhanced visible-light absorption and superior charge-carrier transport efficiency.Furthermore,based on the band structure analysis,it is indicated that the charge transfer type of this heterojunction is S-scheme,thus providing insights into the catalytic reaction mechanism.

Graphical abstract

关键词

TiO2纳米片 / 光催化制氢 / 电荷转移 / CoP量子点

Key words

TiO2 nanosheet / photocatalytic hydrogen production / charge transfer / CoP quantum dots

引用本文

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郭俊兰,刘雅楠,程睿,孙晓慧,田园园. CoP/TiO2异质结的构建及光催化制氢性能研究[J]. 现代化工, 2025, 45(8): 163-169 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.029

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设计高性能光催化剂,通过太阳能驱动分解水持续性生产氢气,是碳中和能源生态系统的前沿战略之一[1]。但是大多数单一半导体由于有限的光响应范围、低载流子分离效率以及较弱的还原能力限制了光催化活性的提升。在提高光催化制氢效率以及开拓实际应用方面,将两种或多种材料进行组装构建异质结光催化剂,通过异质界面形成的内建电场实现载流子的不同迁移方向,可促进催化性能的提升。已经报道了很多合成方法构建异质结提升界面电荷的传输效率,如静电自组装、外延生长和官能团偶联等[2-4]。除了提高载流子的分离效率外,还需要异质结提供较高的氧化还原电位才有利于光催化性能的优化提升。与传统的Ⅱ型异质结相比较,S型体系由于快速的电荷分离以及强的氧化还原能力常被应用于光催化反应体系中[5-6]
TiO2具有低成本、无毒、化学稳定性好的优点,在光催化领域中展现出优越性。其中二维超薄纳米片由于比表面积较大,易暴露更多的活性位点以及可缩短载流子的扩散距离,在抑制光生电子(e-)-空穴(h+)复合方面具有独特优势,引起研究人员的广泛兴趣[7-8]。然而,TiO2只能吸收紫外光以及载流子易复合的缺点,限制了其光催化使用范围。金属有机框架化合物(MOF)由金属离子和配体组成,其配体结构的多样性和易调节性,与传统半导体光催化剂相比,具有特殊优势。如MOF的多孔特性可以为底物和产物的扩散提供通道,而且还可缩短载流子的传输距离,抑制电子-空穴的复合。研究发现MOF材料还可通过一定的方法衍生出半导体材料用于光催化反应,合成的半导体保持了MOF材料部分结构特性,利于催化性能的提升[9-10]。如通过 Cu-MOF和In-COF衍生合成核壳型CuO@In2O3[11],不仅提升CuO的稳定性,减弱CuO的光腐蚀现象,还可促进电荷传输;MOF材料ZIF-67可衍生出CoxP,具有可见光响应和强还原电位的特性,常与半导体材料复合提升催化活性。Shen等[12]通过硝酸钴和2-甲基咪唑合成MOF材料ZIF-67,然后用Na2HPO2作为P源,将Co-MOF进行退火处理衍生出Co2P纳米点,分散于C3N4纳米片,结果表明Co2P是一种可取代贵金属的高效助催化剂,可显著降低电荷迁移阻力。而且有研究表明ZIF-67经磷化处理后形成的P-ZIF-67可显著扩展光响应范围,而且可提高导带位置,用于光催化反应[13]。Co2P还可提高催化剂在近红外的光催化产氢效率,Li等[14]将Co2P纳米点和CdS纳米棒复合,利用Co2P可吸收近红外光的特性,将吸收范围扩展到1 800 nm,通过异质结内建电场的构建,提高CdS在近红外光下的产氢速率。为了提高CoP和其他半导体复合后形成的复合催化剂的产氢速率,Sun等[15]通过煅烧ZIF-67形成含有C骨架的CoP量子点修饰CdS,不仅可有效提高电荷的传输速率,而且还可避免CoP量子点团聚,增加稳定性,进而提高催化性能。
本文将MOF材料ZIF-67经退火处理合成CoP量子点,将其分散于TiO2超薄纳米片表面,构建出0D/2D异质结CoP/TiO2用于光催化分解水制氢反应。通过TEM表征异质结中TiO2纳米片的厚度和CoP量子点的尺寸,及紫外漫反射分析催化剂的光吸收范围,结合带隙计算分析内建电场的形成过程。

1 材料与仪器

1.1 材料

Co(NO3)2·6H2O、2-甲基咪唑、NaH2PO2、钛酸四丁酯(TBOT)、NaOH等均购于阿拉丁;ITO玻璃片(500 mm×200 mm×0.2 mm)购于中教金源(北京)科技有限公司;去离子水通过纯水机(TTL-6B)自制。实验用全部药品均为购买后直接使用,未进行其他纯化处理。高纯N2购于液化空气天津有限公司。

1.2 仪器

分析天平,德国Sartorius公司;恒温磁力搅拌器,巩义市予华仪器有限责任公司;电热鼓风干燥箱、真空干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;管式电阻炉,合肥科晶材料技术有限公司;超声清洗仪,昆山市超声仪器有限公司;循环水式真空泵,郑州长城科工贸有限公司;马弗炉,上海笃特科学仪器有限公司;反应釜,安徽科幂机械科技有限公司;氙灯、气相色谱、制氢反应器,北京中教金源科技有限公司;电化学工作站,上海辰华仪器有限公司;X射线衍射仪,美国Thermo Fisher公司;透射电子显微镜,日本理学株式会社。

2 实验方法

2.1 催化剂CoP/TiO2的制备

2.1.1 TiO2超薄纳米片的制备

TiO2超薄纳米片参照文献[16]的实验方法合成。称取25 mL钛酸四丁酯溶液置于烧杯中,将 3 mL氢氟酸滴入,搅拌30 min,然后将溶液转移到聚四氟乙烯的反应釜中进行密封,在鼓风干燥箱中180℃下加热24 h,待其自然冷却后,用0.1 mol/L NaOH溶液反复清洗,直至溶液的pH在7~8之间,在60℃下干燥,收集得TiO2纳米片。

2.1.2 CoP量子点的合成

称取0.23 g Co(NO3)2·6H2O和0.36 g 2-甲基咪唑置于25 mL甲醇溶液中,持续搅拌1 h,经离心、干燥收集得ZIF-67[17]。CoP量子点通过将ZIF-67和NaH2PO2在管式炉中经退火处理而得,取0.2 g ZIF-67和1 g NaH2PO2充分研磨后置于石英舟中,以2℃/min的升温速率在300℃下加热2 h,在此过程中ZIF-67中的有机配体分解,形成CoP量子点。

2.1.3 复合催化剂CoP/TiO2的合成

称取100 mg TiO2纳米片溶解于30 mL甲醇溶液中,取一定质量的CoP加入上述溶液中,在室温下搅拌8 h,离心、干燥收集得催化剂CoP/TiO2。通过CoP加入量的不同,制备不同质量分数(1%、5%、8%、10%)的CoP/TiO2复合催化剂,合成示意图见图1

2.2 催化剂的结构和电化学性能表征

催化剂的形貌结构由透射电子显微镜(TEM)表征,将样品分散在乙醇溶液中,取少量含有催化剂的溶液将其滴在铜网上进行表征。催化剂的晶体结构由X射线衍射仪(XRD)表征,扫描范围为5°~80°。催化剂的光学性质用UV-Vis DRS分析,用固体BaSO4作为基底。催化剂的电荷分离性能由电化学工作站进行测试,电解质溶液为0.5 mol/L Na2SO4溶液,将一定量的催化剂分散在萘酚溶液中,将其涂覆在ITO导电玻璃的导电面,在Pt丝作为对电极、甘汞电极为参比电极的三电极体系进行光电流响应、阻抗、线性循环伏安(LSV)测试以及Tafel曲线测试。LSV测试时的扫描范围为-1~0 V,扫描速度为0.1 V/s。催化剂的平带电位由 Mott-Schottky曲线测试得出,其扫描频率为500、1 000、1 500 Hz,扫描速度为0.1 V/s。

2.3 催化剂的活性测试

光催化分解水制氢反应速率经在线系统分析得到,催化反应系统的温度保持在6℃,取30 mg催化剂加入由50 mL水和4 mL三乙醇胺(TEOA)形成的混合溶液中进行测试,用300 W的氙灯作为模拟太阳光源,产生的氢气通过气相色谱(GC-7920)中的热导检测器(TCD)检测,所用载气为N2,每 30 min对氢气的量作一次面积积分,测试时间为 3 h,将面积积分通过标准曲线换算为产氢量,作为实验数据进行绘图。

3 结果与分析

3.1 XRD分析

催化剂的晶体结构如图2所示。TiO2纳米片的晶体结构为锐钛矿型,与标准卡片(PDF#21-1272)相对应,位于25.1°处对应的(101)晶面的衍射峰较强。CoP量子点与标准卡片(PDF#29-0497)对应,在32.5°的衍射峰强度较高。当二者复合后,催化剂CoP/TiO2的XRD谱图中含有二者的特征峰,由于复合物中CoP的含量较少(仅为5%),TiO2的特征峰强度与单体TiO2相比几乎没有变化。证明二者复合成功。

3.2 TEM分析

通过TEM表征TiO2纳米片的厚度以及CoP量子点在TiO2纳米片上的分散状态,结果见图3。从图3可看出,TiO2呈片状结构,分散均匀;TiO2纳米片的厚度大约在5 nm左右,长度约为30 nm,其薄层结构有助于光生载流子的快速迁移,电荷易转移到TiO2表面参与催化反应;CoP量子点实现了在TiO2纳米片上的高度分散,而且未观察到团聚现象;CoP量子点的粒径尺寸约为1.3 nm。此外,还可看出TiO2的晶格结构明显,晶面间距为0.33 nm,对应其(101)晶面[18],CoP的(011)晶面间距为 0.28 nm,而且从图中可看出CoP的结晶性较弱,与图2中衍射峰强度对应,证明二者复合成功。零维CoP量子点分散于二维超薄纳米片TiO2中,其高分散的特性有助于载流子迁移,实现光生电荷高效转移,提升催化活性。由于CoP量子点的小尺寸效应以及原子易暴露等特点,可避免电荷的局部累积,提高电荷利用率。

3.3 UV-Vis分析

为了研究催化剂的光学性质,对单体TiO2、CoP和复合催化剂5% CoP/TiO2进行了紫外漫反射测试,结果如图4所示。因TiO2只能对紫外光响应,其吸收带边为400 nm。CoP的吸收带边较宽,位于750 nm,表明其可吸收可见光,这一特性有助于扩展复合催化剂的光响应范围。当CoP量子点分散到TiO2后,复合催化剂5% CoP/TiO2的吸收带边扩展到420 nm,而且在500~700 nm之间还表现出较强的吸收。由此可见,当TiO2经CoP量子点负载后,明显改善了其光吸收性能,复合催化剂对可见光响应的特性有助于实现高效的光催化性能[19]

3.4 催化产氢性能分析

催化剂的活性测试用氙灯作为模拟太阳光的光源,结果如图5所示。图5(a)是催化剂在3 h内产氢量,图5(b)是在图5(a)的基础上计算出的产氢速率。因TiO2只能吸收紫外光,3 h内的催化产氢速率为106.73 μmol/(g·h)。单体CoP虽能吸收可见光,但是由于量子点的活性位点有限,以及载流子易复合的缺点,产氢速率仅为13.91 μmol/(g·h)。当二者复合形成复合催化剂后,随着CoP含量的增多,产氢速率显著上升,当CoP含量为5%时,复合催化剂5% CoP/TiO2的产氢速率达到2 375.30 μmol/(g·h),大约是单体TiO2的23倍。结合图4可知,CoP量子点分散到TiO2超薄纳米片表面后,有助于扩展催化剂对光的吸收范围,光吸收增强有利于载流子的激发和跃迁并参与催化反应。此外,复合催化剂0D/2D异质界面构建后,TiO2的超薄结构有利于电荷的纵向迁移,结合CoP量子点负载形成的高分散的界面位点,可提高电荷的传输速率,从而提升催化性能。当CoP含量继续增加时,产氢速率下降,CoP含量为10%时,催化活性下降到661.01 μmol/(g·h)。造成这一现象的原因,一方面是CoP含量过多时,会引起TiO2对光的屏蔽效应,阻碍TiO2吸收紫外光,进而影响催化性能[20];另一方面是由于CoP含量过多造成载流子的迁移速率变慢,不利于活性提升。

3.5 电荷分离性能

为了探究催化性能提升的反应机理,分别对单体TiO2、CoP以及复合催化剂5% CoP/TiO2的载流子分离性能进行测试,结果如图6所示。由图6(a)可知,单体TiO2、CoP以及复合催化剂5% CoP/TiO2均在开/关灯时表现出强烈的光电响应能力,表明开灯时由于光的激发催化剂产生了光生电子和空穴,表现出增大的光电流密度;在关灯时,电子-空穴复合,光电流密度降低[21]。并且可看出当TiO2负载CoP量子点后,光电流响应值明显提高,5% CoP/TiO2的光电流密度值最大,为20.2 μA/cm2,分别约为TiO2(5.4 μA/cm2)的4倍和CoP(3.1 μA/cm2)的7倍,表明CoP负载后可显著提高催化剂的光响应能力。图6(b)为催化剂的EIS图,其半径大小与电荷迁移阻力有关,常用来表征电荷的迁移速率大小[22]。结果显示,5% CoP/TiO2的阻抗环半径最小,表明CoP的负载可有效降低电荷的迁移阻力。从图6(c)可看出,与单体TiO2和CoP相比,当电压为-1.0 V时,5% CoP/TiO2的电流密度最大,为1.3 mA/cm2,远高于TiO2和CoP在相同电压下的电流密度。如图6(d)所示,复合催化剂5% CoP/TiO2的斜率最小,为86 mV/dec,表明其更有利于光催化产氢的动力学过程[23]。由上述一系列关于单体以及复合催化剂的电化学性能分析得知,催化剂CoP/TiO2形成的0D/2D结构可有效降低电荷的迁移阻力,从而促进催化性能提升。

3.6 催化反应机理

通过上述分析可知,异质结中CoP的负载不仅可提高TiO2电荷的迁移速率,而且其小尺寸的特性还可扩展TiO2的可见光吸收能力,复合催化剂在模拟太阳光下表现出高效的光催化制氢活性,为了探究反应机理,对催化剂CoP/TiO2在反应过程中的电荷转移方向进行探讨。由TiO2和CoP的紫外吸收光谱图和带隙值计算公式αhν=A(hν-Eg)n/2(其中:α为吸收系数;h为普朗克常数,4.135 6×10-15 eV/s;ν为入射光子频率,s;A为比例常数;Eg为带隙宽度,eV;鉴于TiO2和CoP都是直接半导体,n值取1[24])绘制出Tauc曲线。由图7(a)可知,TiO2的带隙约为2.87 eV,与紫外吸收光谱中TiO2的光吸收范围对应,CoP的带隙较窄,为1.57 eV,表明其可吸收可见光。TiO2和CoP在不同频率下的肖特基曲线如图7(b)(c)所示。二者的曲线斜率都为正数,表明其都为n型半导体[25],TiO2的平带电势约为-0.49 eV,CoP的平带电势约为-1.10 eV,可知CoP的还原电位更高,证明其产生的光生电子还原能力更强。结合紫外漫反射光谱、催化产氢速率以及电化学性能可知,虽然TiO2的导带电势具备将水还原为氢气的能力,但是其带隙较宽,只能吸收紫外区域的光,在氙灯作为光源下,TiO2仅能对紫外光响应,对光源的利用率较低,产生的载流子较少,因此单体TiO2的制氢活性较低;而CoP虽然导带电势较高,但是由于载流子分离效率差,以及活性位点有限,单独使用时限制了活性的提升;当二者复合后,在TiO2超薄结构和CoP量子点小尺寸的作用下,不仅增强了催化剂的光吸收性能,而且由于CoP量子点的负载促进了电荷迁移速率,复合催化剂在模拟太阳光的作用下,催化制氢性能大幅提高。基于上述分析结果得出异质结中载流子的传输方向示意图,如图7(d)所示。在模拟太阳光下,TiO2和CoP都产生了光生电荷-空穴,结合二者的带隙位置和能带结构可知,TiO2产生的光生电子和CoP空穴复合,位于CoP导带的电子参与H质子(H+)还原为氢气的催化反应,留在TiO2中的空穴被牺牲剂(TEOA)消耗,形成S型电荷传输机制,这种电荷传输方式不仅保留了异质结中光生电荷的强还原能力,而且还加速了TiO2中空穴的消耗速率,因而提升了异质结的电荷传输速率。复合催化剂在光吸收范围增强、电荷传输效率增加以及活性位点增多的协同作用下,催化性能大幅提升。

4 总结

通过水热法合成TiO2超薄纳米片,厚度约 5 nm,将MOF材料ZIF-67在高温下进行退火处理制备出CoP量子点,其尺寸约为1.3 nm,通过浸渍法将其分散于TiO2纳米片表面,构建出0D/2D结构的异质结CoP/TiO2。该异质结中TiO2的超薄结构不仅有助于电荷快速迁移到表面,而且还有助于CoP的分散,避免团聚。结合CoP量子点形成的高分散界面位点和二者能带结构位置,成功构建出S型电荷转移机制,提高了复合催化剂CoP/TiO2的瞬态光响应能力,并降低了电荷迁移阻力。CoP量子点的小尺寸效应在扩展复合催化剂对可见光的吸收方面有明显的作用,将吸收带边从400 nm扩展到420 nm。此外,CoP量子点还有助于增加催化反应的活性位点。在上述效应的协同作用下,复合催化剂的催化产氢性能大幅提升。该异质结的构建可为其他0D/2D结构高效光催化剂的设计提供借鉴。

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