【摘 要】
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石墨烯因其优异的电子传输性能常作为一种电子助剂与Ti O2复合提升其制氢效率。但石墨烯基光催化剂性能的提升还需有能与石墨烯形成强耦合界面作用并有效吸附H+的活性位点。具备较强亲核性的基团由于能吸附溶液中的H+可作为有效的产氢活性位点,预测这些基团的引入,可增强Ti O2的产氢活性。而在众多产氢活性位点的修饰方法中,石墨烯共价功能化是一个利用简单的化学反应(如酰基化、酯化、重氮化等)接枝更多活性位点
【基金项目】
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国家自然科学基金(21477094)(面上项目)“助剂-石墨烯协同效应型光催化材料的制备及其对酞酸酯的降解机理”,2015.01-2018.12,经费来源:国家自然科学基金委; 国家自然科学基金(21771142)(面上项目)“石墨烯基纳米复合光催化材料的构建与选择性光催化活性”,2018.01-2021.12,经费来源:国家自然科学基金委;
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石墨烯因其优异的电子传输性能常作为一种电子助剂与Ti O2复合提升其制氢效率。但石墨烯基光催化剂性能的提升还需有能与石墨烯形成强耦合界面作用并有效吸附H+的活性位点。具备较强亲核性的基团由于能吸附溶液中的H+可作为有效的产氢活性位点,预测这些基团的引入,可增强Ti O2的产氢活性。而在众多产氢活性位点的修饰方法中,石墨烯共价功能化是一个利用简单的化学反应(如酰基化、酯化、重氮化等)接枝更多活性位点并形成共价键的有效策略。本文选择磺酸基(-SO3H)、硫脲(-TU)作为产氢活性位点,利用共价功能化的方法,分别合成出边缘磺酸化石墨烯Ti O2复合光催化剂(Ti O2/r GO-SO3H)和硫脲功能化石墨烯Ti O2复合光催化剂(Ti O2/r GO-TU),并对材料的制氢性能和机理进行了探索和研究。研究结果如下:第一,本研究以磺酸根作为产氢活性位点提高Ti O2的产氢活性。首先,通过重氮化反应将石墨烯磺酸共价功能化(r GO-SO3H),再利用超声辅助法制备出Ti O2/r GO-SO3H复合样品。产氢测试结果表明:当功能化石墨烯负载比为0.5 wt%时,得到的Ti O2/r GO-SO3H(0.5 wt%)样品产氢性能最佳(197.1μmol h-1 g-1),为Ti O2和Ti O2/r GO的5.4倍和2.8倍。基于测试结果,提出了Ti O2/r GO-SO3H可能的制氢机理:石墨烯转移光生电子,r GO-SO3H边缘-SO3-的氧原子具有强亲核性,可从溶液中吸附H+,提升界面产氢速率,进一步增强Ti O2的产氢活性。第二,本研究以硫脲分子作为界面产氢活性位点增强石墨烯修饰的Ti O2产氢性能。首先,利用超声辅助法将石墨烯修饰到Ti O2表面得到Ti O2/GO样品,再通过硫酯化反应制备出Ti O2/r GO-TU。研究结果表明:当功能化石墨烯含量为0.5 wt%时,制备出的Ti O2/r GO-TU(0.5 wt%)样品的光催化产氢性能(241.83μmol h-1 g-1)达到最高,是纯Ti O2和Ti O2/r GO(0.5 wt%)的6.60倍和2.32倍。Ti O2/r GO-TU的光催化活性增强可归因于石墨烯和硫脲的协同作用。即石墨烯作为助剂可将Ti O2的光激发电子转移到硫脲上,随后,硫脲作为有效的H+吸附活性中心促进界面氢气的生成。
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