导电金属有机框架复合材料的制备及其性能的研究

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导电金属有机框架材料(导电MOFs)是一种新型固体导电材料,其优秀的导电性能使其在电化学方面崭露头角。目前,导电MOFs在光催化领域的相关研究较少,因此我们希望将导电MOFs引入到常见的二氧化钛(TiO2)光催化剂中来研究其在光催化领域应用的表现。TiO2光催化材料因其低毒性,易获取的特点而广泛应用于光催化领域。然而在实际应用中,TiO2较低的量子产率及较窄的可见光吸收范围制约了其光催化效率。因此本论文中选用了导电MOFs材料Ni3(HITP)2和Ag5C6S6分别与TiO2复合开发新型光催化剂。希望导电MOFs所具有的高比表面积,多孔结构稳定,可见光吸收以及高电子传导率可以弥补TiO2在应用中的不足。内容如下:(1)在制备TiO2的过程中通过水热法引入Ni3(HITP)2并成功构建了Ni3(HITP)2/TiO2复合材料。使用XRD、FT-IR、SEM、TEM和XPS等表征了材料复合后的结构与形貌。复合材料相比于TiO2比表面积提升了4.07倍;对可见光吸收边也从400 nm扩大至1000 nm。在可见光(λ>420 nm)下降解模拟污染物罗丹明B(Rh B)实验中3 wt.%Ni3(HITP)2/TiO2在50 min内降解了溶液中100%的Rh B;其反应速率常数是TiO2的14.1倍。在模拟太阳光(AM 1.5G)下的产氢实验中3 wt.%Ni3(HITP)2/TiO2复合材料产氢速率为4.927 mmol/h/g,是TiO2的4.51倍;其表观量子效率和能量转换效率分别为4.608%和0.232%。通过五次循环稳定实验检验了复合材料的稳定性。综合实验结果分析可知Ni3(HITP)2与TiO2复合形成了Z型异质结,保持了材料较高的能带电位并延长了载流子寿命,这是Ni3(HITP)2/TiO2复合材料光催化性能提高的主要原因。(2)使用水热法将Ag5C6S6引入TiO2的制备过程并顺利得到Ag5C6S6/TiO2复合材料。结构表征说明材料复合后保持了原有结构并复合均匀。Ag5C6S6的引入TiO2后比表面积增大了34.5%,可见光吸收边也从400 nm扩大至1000 nm。在可见光下降解Rh B实验中1 wt.%Ag5C6S6/TiO2在35 min内便降解了溶液中100%的Rh B;其反应速率常数是TiO2的16.6倍。1 wt.%Ag5C6S6/TiO2复合材料在模拟太阳光催化产氢测试中产氢速率达4.813 mmol/h/g,是单体TiO2的4.4倍。其表观量子效率为4.461%;能量转换效率为0.224%。利用五次循环实验检验了材料的可靠性和耐用性。通过对实验结果的综合论证可知Ag5C6S6/TiO2复合材料构建了Z型异质结不仅延缓了光生电子-空穴对的复合,而且保留了原来较高的能带位置,这是Ag5C6S6/TiO2复合材料光催化性能提升的主要因素。
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