β-SiC纳米线光电催化分解水制氢性能及机理研究

闪锌矿结构碳化硅(SiC)材料具有合适的带隙、高的物理化学稳定性，耐酸碱腐蚀，且其导带的氧化-还原电位较负，光生电子的还原能力强，是一种新型光电催化分解水制氢催化剂。近几年关于碳化硅光电催化性能的研究受到不少科研工作者的关注，取得了一定的进展，但关于SiC表面结构特点、表面设计及澄清其与光催化机理关系，提高其光催化活性仍是该研究方向的难点之一。目前，关于其光催化分解水机理的研究报道较少，光催化机理尚不清楚，分析碳化硅的微结构与表面成分、设计合成具有较高光催化分解水性能的SiC催化剂，澄清SiC光催化分解水制氢的反应机理，对于其在光解水制氢领域的实际应用具有重要意义。本文采用碳热还原法制备了β-SiC纳米线；采用氢氟酸腐蚀法和高温氧化法获得了具有不同厚度的SiO2包覆层的SiC纳米线；同时采用水热合成法分别制备了Pt/SiC纳米线和SnO2/SiC纳米线。采用X射线衍射仪、高分辨透射电镜、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱等表征方法分析了纳米线的形貌、微结构及成分等信息，研究了其光催化分解水性能及光电化学性能，并初步讨论了不同表面成分与表面结构SiC纳米线光电催化分解水制氢机理，得到的主要结论如下：研究了SiO2/SiC纳米线光催化分解水性能及光电化学性能。研究发现，SiO2包覆层厚度达到10nm时，SiC纳米线产氢速率达到最大为2432μL·g1·h1，同时开展了循环光解水性能测试，反应20h后产氢量没有观察到明显的减小，说明该催化剂具有非常高的稳定性。从光电流-电压曲线可以看出，在外加电压0.6V下，SiO2包覆层厚度达到10nm时，光电极的电流密度达到最大22mA cm-2，是暗室条件下电流密度(8mA cm-2)的2.75倍，并且经过600s光电催化反应后，该电极光电催化活性保持稳定。阐述了SiO2/SiC纳米线光电催化分解水制氢过程。由于SiO2包覆层的存在可以有效地捕获电子，并且在外加电场作用下，光生电子转移到纳米线表面，有效降低了光生电子空穴对的复合率，电子与纳米线电极表面的Si-H键反应快速生成H2。因此，具有SiO2/SiC皮芯结构的SiC纳米线可以有效地减少光生电子-空穴对的复合，进而增强了SiC纳米线的光解水制氢活性。研究了Pt/SiC纳米线的光催化分解水性能及光电化学性能。研究发现，Pt纳米颗粒负载量为5.19wt.%时，SiC纳米线产氢速率达到最大为4573μL·g1·h1，并开展了循环光解水性能测试，研究发现反应20h后产氢量没有观察到明显的减小，说明该催化剂具有高的稳定性。从光电流-电压曲线以看出，在外加电压0.6V下，Pt负载量为5.19wt.%时光电极电流密度达到最大45.7mA cm-2，是暗室条件下电流密度(28.6mA cm-2)的1.6倍，并且经过600s光电催化反应后，该电极光电催化活性保持稳定。对Pt/SiC异质结光解水制氢的机理进行了讨论。由于Pt可以有效地捕获和存储电子，因此当SiC吸收光子能量激发产生光生载流子时，光生电子就会从SiC导带不断地向Pt迁移，同时在Pt和SiC界面处形成肖特基势垒，从而实现了光生电子空穴对的有效分离，进而增强了SiC纳米线的光解水制氢活性。研究了SnO2/SiC纳米线的光催化分解水性能及光电化学性能。研究发现，SnO2纳米颗粒负载量为4.92wt.%时，SiC纳米线产氢速率达到最大为6081μL·g1·h1，并开展了SiC纳米线的循环光解水性能测试，研究发现反应20h后产氢量没有观察到明显的减小，说明该催化剂具有非常高的稳定性。从光电流-电压曲线以看出，在外加电压0.6V下，SnO2纳米颗粒负载量为4.92wt.%时，光电极的电流密度达到最大62.1mA cm-2，是暗室条件下电流密度(31.1mA cm-2)的2倍，并且经过600s光电催化反应后，该电极光电催化活性保持稳定。对SnO2/SiC异质结光解水制氢的机理进行了讨论。由于SiC的导带位置高于SnO2，SiC导带中的光生电子会转移到SnO2的导带上去，同时SiC的价带位置低于SnO2，SnO2价带中的光生空穴会转移到SiC的价带上去，从而实现了光生电子空穴对的有效分离，进而大大增强了SiC纳米线的光解水制氢活性。