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FOMS封面论文:电纺法制备石墨烯/Ag纳米颗粒@TiO2复合纤维及其高的可见光催化性能 精选

已有 1919 次阅读 2018-12-14 15:09 |系统分类:论文交流

       在众多半导体材料中,TiO2不仅无毒、廉价、储量丰富、环境良性,而且还具有化学稳定性、光稳定性、氧化还原势能高等特点。因此,TiO2被认为是最具应用潜力的半导体材料之一并广泛应用于染料降解、光解水、太阳能电池、光电器件以及纳米发电机等领域。然而,作为一种最为有效的光催化材料,TiO2极高的光生电子-空穴对复合速率大幅度降低了其量子效率与光催化活性。

近年来,随着对一维TiO2研究的越发深入,研究者发现一维TiO2不仅涵盖了TiO2优良的本征特性,其独特的一维结构对光的吸收与散射具有极大的横截面积,且其还能为光生载流子提供一条轴向传输的途径。因此,一维TiO2在光催化领域引起了广泛的研究热潮,众多合成一维TiO2的方法也随之涌现。在这些方法之中,利用静电纺丝制备一维TiO2 的技术发展最为迅猛,因为静电纺丝技术可以以低成本、极其便捷的方式大规模合成从亚微米到纳米直径的连续状纤维,这是很多制备方法难以匹敌的。但是,虽然利用静电纺丝技术制备的一维TiO2纤维能加速光生电子的长距离快速输运,但TiO2突出的本征缺陷(极窄的吸收带宽度)极大程度限制了其对太阳光中可见光波段的利用,基于此,同时提高一维TiO2纤维的可见光响应以及电子空穴对分离效率十分关键。

一般而言,改善TiO2纳米纤维可见光光催化性能的方法主要包括:金属或非金属掺杂、表面异质结构的形成、表面敏化、表面贵金属沉积、与碳纳米材料复合等。然而,在众多改性手段中,利用石墨烯/金属纳米颗粒(Graphene/Metal nanoparticles(NPs)复合结构对TiO2纳米纤维进行改性,是提高其可见光响应与光生电载流子迁移最行之有效的途径之一。其原因如下:1)金属纳米颗粒功函数较TiO2更高,能产生肖特基势垒并促进电子的捕获;其产生的表面等离子体效应能显著提高TiO2纳米纤维在可见光区的响应。2)石墨烯的费米能级较TiO2纳米纤维更低,可以加速光生载流子的调制与迁移;石墨烯可以降低TiO2带隙能级以调控其能带结构,从而效扩展TiO2纳米纤维在可见光区的吸收带宽;石墨烯较大的表面积,可以增强TiO2纳米纤维对有机污染物的吸附。3Graphene/MetalNPs复合结构兼具了石墨烯与金属纳米颗粒的协同优势。基于此,利用Graphene/Metal NPsTiO2纳米纤维进行改性是提高其可见光光催化性能较为理想的方法之一。

然而,Graphene/Metal NPsTiO2纳米纤维中的功能化作用的实现与GrapheneMetalNPsGraphene/MetalNPs中的存在形态极为相关。首先,Graphene做为基底,其活性表面积的大小、微观结构的缺陷程度对MetalNPs在其表面的形核以及Graphene/MetalNPs对电荷的调制与迁移具有显著的影响。其次,MetalNPs粒径以及其在Graphene表面的分散程度,与Graphene/MetalNPs在可见光波段带宽响应长短、载流子迁移速率大小、催化反应化学势能的高低极为相关。因此,如何获得性能优异的Graphene/MetalNPs复合结构成为亟待解决的问题。目前,制备Graphene/MetalNPs的方法较为多元,但主要包括:化学还原法、电化学法,以及溶剂热法等。这些常规合成方法虽然成本低、产量高,但是缺点突出,例如杂质的引入、MetalNPs的团聚以及粒径较大等。其他较为理想的方法如光致还原法、波辅助还原法等虽然环保、能耗低,可以获得较为理想的Graphene/MetalNPs复合结构。但是,在合成过程中,Graphene中的缺陷、边缘和层间通常都是MetalNPs形核的活性位点,而这些活性位点也是光激电子-空穴复合的敏感区域。若将这些缺陷态的Graphene/MetalNPsTiO2纳米纤维进行复合,无疑会大幅度衰减TiO2纳米纤维的光催化性能。因此,制备微观结构完整、无杂质与缺陷的Graphene/MetalNPs复合结构,并实现其在TiO2纳米纤维中的功能化作用具有极其重要的意义。

物理沉积法(溅射沉积、电子束蒸发、热蒸发)作为一种可以快速有效得在二维材料表面沉积金属纳米颗粒的方法,其在制备过程中不需要引入任何外来介质来辅助Graphene/MetalNPs的合成。此外,这种方法还可以非常便捷得调控MetalNPs的粒径以及其在Graphene表面的分布密度。

 

武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组长期致力于金属+石墨烯复合材料,以及TiO2基光催化材料的研究与应用。最近,博士研究生王中驰等人利用一种物理法制备的石墨烯/银纳米颗粒(物理法)复合结构对电纺法制备的TiO2纤维进行改性,合成了一种三元Graphene/Ag NPs (physical)@TiO2光催化纤维。实验结果表明,这种纤维有效克服了TiO2本征宽带隙缺陷,此外,由于Ag NPs产生的表面等离子体共振效应,使得其对对可见光的响应十分强烈。与化学法制备的Graphene/Ag NPs (chemical)复合结构改性TiO2纤维相比, Graphene/Ag NPs (physical)@TiO2纤维具有更高的光电流密度与更优异的光催化性能,例如,其在可见光照射下的光催化活性提高2-3倍左右。这主要归因于物理法制备的Graphene/Ag NPs (physical)复合结构中石墨烯微观结构完整,表面缺陷密度低,Ag NPs粒径小(10 nm左右)且分散度高,更强的纳米效应使得光生电子迁移率得到大幅度提高,从而有效抑制了光生载流子的快速复合。该方法简单、环保、并可以进行大规模制备,在光解水制氢、太阳能电池、光致CO2转换、光电器件等领域展现出极其广阔的应用前景。最近,该研究工作发表在材料学SCI刊物《Frontiers of Materials Science》(工程技4,影响因子2.019)上,并被编辑部选为封面论文。

论文链接:Zhongchi WangGongshengSongJianle XuQiang Fu, Chunxu Pan: "Electrospun titania fibers by incorporatinggraphene/Ag hybrid for improved visible light photocatalysis", Frontiers of Materials Science, 2018, 12(4): 379–391. 2018-10-31 online.(封面文章).

The newly published FOMS papers of Volume 12, Issue 4, 2018 can now be downloaded freely at the website: http://engineering.cae.cn/fileup/2095-025X/ALERT/Alert_TOC_EN.shtml 

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欢迎关注武汉大学物理科学与技术学院潘春旭课题组的微信公众号《珞珈材料与物理》:





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