晁明坤 馬貴軍
(1上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201210)
(2中國科學(xué)院上海高等研究院,上海 201210)
(3中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
基于無機半導(dǎo)體的太陽能光催化分解水制氫反應(yīng)是當(dāng)前能源和環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點之一[1-3]。由于在太陽光譜能量分布中,波長小于400 nm的紫外光僅占4%,而波長400~800 nm的可見光占53%,開發(fā)具備可見光響應(yīng)的光催化劑具有重要意義。過渡金屬硫氧化物半導(dǎo)體光催化劑普遍表現(xiàn)出可見光吸收特性,而且能級結(jié)構(gòu)分析表明,該類材料大多適用于光催化分解水反應(yīng)[4-10]。其中,Sm2Ti2S2O5(以下簡稱STSO)是研究最為廣泛的一種硫氧化物光催化劑,該材料禁帶寬度僅為2.0 eV,可吸收波長620 nm以下的可見光,在含有AgNO3或Na2S-Na2SO3犧牲劑的水溶液中,表現(xiàn)出良好的光催化產(chǎn)氧或產(chǎn)氫半反應(yīng)活性[11];同時,基于Z體系理念,STSO可作為產(chǎn)氫催化劑與金紅石或WO3聯(lián)用,實現(xiàn)太陽光驅(qū)動下的光催化分解水全反應(yīng)[12-13],該Z體系的構(gòu)建也可為氧硫化物半導(dǎo)體在光催化全解水反應(yīng)中的應(yīng)用提供研究思路。
STSO的合成方法主要包括3種:(1)高溫固相法[11],將均勻混合的 TiO2、TiS2及 Sm2O3前驅(qū)體粉末真空密封于石英管中,再于1 000℃高溫下持續(xù)反應(yīng)至少1個星期;(2)硫化氫硫化法[13-19],先采用溶膠-凝膠法制取無定形Sm2Ti2O7前驅(qū)體粉末,再將其置于流動的H2S氣氛中,在最低800℃進(jìn)行高溫還原硫化而得到;(3)熔鹽法[12,20],將前述高溫固相法中所采用的前驅(qū)體與一定量的熔鹽混合均勻,真空密封后在高于熔鹽熔點的溫度下反應(yīng)一定時間得到。其中的熔鹽法為本文作者在2016年首次報道,相較于前2種方法,熔鹽法所制備產(chǎn)物結(jié)晶度高、形貌規(guī)則,可大幅度提高STSO的光催化反應(yīng)活性。在目前已報道的熔鹽法合成STSO研究中,全部采用CsCl單一熔鹽進(jìn)行合成反應(yīng),結(jié)果表明在650~1 000℃的溫度區(qū)間內(nèi)可制備出純相STSO,繼續(xù)降低溫度到600℃則基本沒有STSO生成,但這無法說明STSO的最低結(jié)晶溫度在600~650℃之間,因為CsCl的熔點即為645℃。由于CsCl是已知熔點最低的單組份堿金屬鹵化物鹽,我們嘗試選用熔點更低的LiCl-KCl混合熔鹽來考察反應(yīng)溫度對合成STSO的影響,首次表明STSO的熱力學(xué)結(jié)晶溫度在520℃左右;進(jìn)一步改變混合熔鹽中陽離子的種類,可實現(xiàn)對STSO顆粒尺寸的精細(xì)調(diào)控,而且低溫下制備的STSO同樣表現(xiàn)出較好的光催化產(chǎn)氫反應(yīng)活性與穩(wěn)定性。采用混合熔鹽法為研究各種氧硫化物半導(dǎo)體材料的臨界結(jié)晶溫度與結(jié)晶反應(yīng)動力學(xué)提供了可能,有助于制備具有更小顆粒尺寸與更多單位質(zhì)量反應(yīng)活性位的催化劑,此外低溫還可降低單位催化劑制備能耗,為將來的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用降低成本。
所用試劑有Sm2O3(99.9%,阿拉丁)、金紅石(99.99%,麥克林)、TiS2(99.9%,Sigma)、升華硫(99.5%,國藥滬試)、LiCl(99%,阿拉丁)、KCl(99.99%,阿拉丁)和 CsCl(分析純,麥克林)。
采用的2種混合熔鹽分別是LiCl和KCl的最低共熔物(記作LiCl-KCl,物質(zhì)的量之比nLiCl∶nKCl=3∶2,最低共熔點約350℃)以及LiCl和CsCl的最低共熔物(記作LiCl-CsCl,物質(zhì)的量之比nLiCl∶nCsCl=3∶2,最低共熔點約318℃)[21-22]。
在充滿氮氣的手套箱中,將金紅石、TiS2、Sm2O3、混合熔鹽、升華硫按照物質(zhì)的量之比0.95∶1.05∶1∶5∶0.1組成前驅(qū)體,研磨均勻后,取2.5 g混合物粉末放入石英管(直徑8 mm,長80 mm)中進(jìn)行真空密封。將石英管置于馬弗爐中,以10℃·min-1升溫至500~700℃下恒溫一定時間,然后以0.5℃·min-1的速度緩慢冷卻,冷凝后即可得粗產(chǎn)物,將這一產(chǎn)物攪拌分散于500 mL超純水中,過濾除去熔鹽得到STSO粉末,最后將該粉末在空氣中300℃下煅燒2 h以除去多余的硫。
粉末X射線衍射(XRD)采用D2 PHASER DESKTOP型儀器以分析產(chǎn)物晶型(CuKα,U=30 kV,I=10 mA,λ=0.154 18 nm,2θ=10°~40°)。紫外可見漫反射吸收光譜(UV-Vis)采用安捷倫公司生產(chǎn)的Cary 5000型紫外-可見-近紅外分光光度計以測量產(chǎn)物對不同波長的光的吸收度,樣品在200~800 nm范圍內(nèi)以600 nm·min-1進(jìn)行掃描,該范圍內(nèi)光源為氘燈及鹵素?zé)簟呙桦娮语@微鏡(SEM)采用的是JSM-7800F型電子顯微鏡,以觀測產(chǎn)物的形貌(SEI二次電子,工作電壓為1 kV,工作距離為4.1 mm)。透射電子顯微鏡(TEM)采用的是JEM-1400 Plus型電子顯微鏡,以觀測產(chǎn)物的超微結(jié)構(gòu)(工作電壓100 kV)。X射線光電子能譜儀(XPS)采用的是Thermo-Fisher ESCALABTM250Xi型能譜儀(AlKα,靈敏度 0.6 eV@106count·s-1),以分析產(chǎn)物中各元素的化學(xué)環(huán)境。
采用微波水熱法擔(dān)載IrO2。將0.25 g STSO分散在20 mL乙二醇中,加入0.5 mL IrCl3水溶液(相對STSO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的IrO2),將該溶液放入微波反應(yīng)器(Monowave 300,Anton Paar Company)后在150℃下反應(yīng)0.5 h,反應(yīng)液冷至室溫后抽濾,并用乙醇及水洗滌數(shù)次,所得產(chǎn)物置于60℃烘箱中干燥。
光催化反應(yīng)活性采用外部照射式真空密閉循環(huán)系統(tǒng)(Perfect Light,Labsolar-6A)進(jìn)行評價。將0.10 g已擔(dān)載IrO2的STSO分散在150 mL 0.05 mol·L-1Na2S-Na2SO3溶液中,加入一定量H2PtCl6水溶液(相對STSO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Pt)進(jìn)行原位光沉積Pt助催化劑。反應(yīng)開始前,反應(yīng)容器先充分抽空以除去溶液中溶解的空氣,然后注入一定量氬氣,使真空反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)壓力達(dá)到5.0 kPa左右。采用300 W氙燈作為光源(Perfect Light,PLS-SXE300),配備L-42濾光片以調(diào)整入射光波長大于420 nm。反應(yīng)體系與氣相色譜(熱導(dǎo)檢測器,以氬氣為載氣)相連,用于在線檢測氣體產(chǎn)物的量。為維持光催化反應(yīng)過程中溶液溫度恒定,反應(yīng)器外套通入15℃恒溫循環(huán)水。對于光催化劑量子效率的測量,通過在氙燈燈頭依次置入380 nm截止濾光片及420 nm帶通濾光片,獲得波長范圍為(420±20)nm的出射光,采用熱電探頭(Gentec,XLP12-3S-H2)配備功率計表頭(MAESTRO)測得該波長范圍出射光子數(shù)約為1.1 μmol·s-1。
圖1是以LiCl-KCl為熔鹽在不同溫度下反應(yīng)15 h所得STSO粉末的X射線衍射圖,同時給出STSO標(biāo)準(zhǔn)衍射峰數(shù)據(jù)(PDF No.01089-6532)作為對比。根據(jù)圖中衍射峰的位置及強度,所得產(chǎn)物可被分為3類:(1)540~700℃溫度下合成的STSO峰高相差不大,與標(biāo)準(zhǔn)圖可以完全對應(yīng)。可知在這一溫度區(qū)間內(nèi)可合成高純度STSO產(chǎn)物;(2)520和530℃合成的STSO的圖只有(004)晶面的衍射峰較為明顯,其他峰很弱或難以觀察到。由此推測,這2個溫度下反應(yīng)15 h可以合成純相STSO,但結(jié)晶度較低;(3)500和510℃合成的樣品同樣可以觀察到(004)晶面的衍射峰,但其他峰都無法和標(biāo)準(zhǔn)圖對應(yīng),可能是來自一些中間過渡態(tài)物種的信號。根據(jù)以上結(jié)果推測,STSO的結(jié)晶過程始于(004)晶面,伴隨著未知中間過渡物種的消失,產(chǎn)物的其他晶面逐漸顯現(xiàn)。在15 h的反應(yīng)時長下,STSO的最低熱力學(xué)結(jié)晶溫度在520℃左右。
圖1 以LiCl-KCl為熔鹽,在不同溫度下反應(yīng)15 h所得STSO粉末的XRD圖Fig.1 XRD patterns of STSO samples synthesized with LiCl-KCl at different temperatures for 15 h
圖2 以LiCl-KCl為熔鹽,在520℃下不同反應(yīng)時間時合成STSO粉末的XRD圖Fig.2 XRD patterns of STSO samples synthesized with LiCl-KCl at 520℃for different times
圖2是在520℃反應(yīng)溫度下,反應(yīng)所制備STSO樣品的X射線衍射圖。反應(yīng)時間5 h的產(chǎn)物衍射圖雜峰較多,僅觀察到非常弱的(004)晶面的衍射峰,延長反應(yīng)時間到15 h時雜峰消失,但只掃描出(004)晶面衍射峰;當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到50 h時,樣品衍射峰與STSO標(biāo)準(zhǔn)圖完全對應(yīng),且峰高較高,表明所制備產(chǎn)物的純度與結(jié)晶度都有所提升。由此可知,520℃的反應(yīng)溫度下也可合成出STSO多晶顆粒,但所需反應(yīng)時間更長。圖2結(jié)果進(jìn)一步證實,STSO的熱力學(xué)最低結(jié)晶溫度在520℃左右,遠(yuǎn)低于之前文獻(xiàn)報道的650℃的最低合成溫度。結(jié)合圖2以及圖1中(c)~(e)樣品的XRD數(shù)據(jù)可知,反應(yīng)溫度對這一材料的結(jié)晶動力學(xué)影響非常明顯,溫度僅僅提高10℃即可大幅縮短結(jié)晶時間。
圖3是不同溫度下,以LiCl-KCl為熔鹽,反應(yīng)15 h所得STSO粉末的紫外可見漫反射吸收(UV-Vis DRS)光譜。由圖可知,500~700℃溫度下合成的STSO樣品吸收曲線重合度較好,吸收邊起始位置在620 nm附近,對應(yīng)的禁帶寬度為2.0 eV,與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相同[12-13]。而500與520℃下合成樣品的吸收邊發(fā)生紅移,且光吸收基線較高。對比圖1的XRD數(shù)據(jù),500℃下樣品吸收邊的紅移應(yīng)該是由于未反應(yīng)完的中間產(chǎn)物導(dǎo)致,而520℃下的紅移或許是由于產(chǎn)物的結(jié)晶度較低或少量殘余中間物導(dǎo)致。
圖3 以LiCl-KCl為熔鹽,在不同溫度下反應(yīng)15 h所得STSO粉末及所用金紅石和TiS2前驅(qū)體的UV-Vis DRS譜Fig.3 UV-Vis DRS spectra of STSO samples synthesized with LiCl-KCl at different temperatures for 15 h
以LiCl-KCl為熔鹽,在不同溫度下反應(yīng)15 h所得了STSO粉末,用SEM分析其形貌特征,結(jié)果如圖4所示。STSO的形貌主要為薄片狀,厚度隨著合成溫度的提升逐漸升高。540℃下合成的樣品厚度為50~100 nm,700℃下的樣品厚度可達(dá)100~200 nm,而薄片顆粒的面間大小并未隨反應(yīng)溫度的增加而發(fā)生顯著變化,一直維持在500 nm左右,表明STSO晶體傾向在(x,y)平面的二維生長,這也可從樣品的XRD表征結(jié)果得到驗證。由圖1可知,所合成樣品的相對峰強度比值I(004)/I(103)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)樣品,表明產(chǎn)物中有大量二維取向生長的(004)晶面。在650℃的反應(yīng)溫度下,采用CsCl單一熔鹽合成的STSO顆粒的厚度為25 nm左右[20],而采用LiCl-KCl混合熔鹽所得樣品厚度達(dá)到100 nm左右,這一方面主要是因為LiCl-KCl混合熔鹽的熔點為350℃,遠(yuǎn)低于CsCl的熔點(645℃),在降溫結(jié)晶過程中,STSO在LiCl-KCl混合熔鹽中的析出更緩慢,容易生長出尺寸更大的晶體。另一方面,Cs+的離子半徑為167 pm,而K+與Li+的離子半徑分別為138與76 pm,Cs+較大的離子半徑或許會阻礙STSO晶體的層間堆積,有利于STSO在(00l)晶面的取向生長,從而形成厚度更薄的薄片狀產(chǎn)物。為此,我們選用最低共熔點為318℃的LiCl-CsCl來合成STSO,以觀察混合熔鹽離子半徑對產(chǎn)物形貌的影響。
圖4 以LiCl-KCl為熔鹽,在不同溫度下反應(yīng)15 h所得STSO粉末的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of STSO samples synthesized with LiCl-KCl at different temperatures for 15 h
以LiCl-CsCl為熔鹽,在540~700℃溫度下反應(yīng)15 h也可成功制備出STSO粉末,其XRD圖及UVVis圖譜與圖1及圖2中采用LiCl-KCl為熔鹽的結(jié)果相近。圖5所示為產(chǎn)物的SEM形貌表征結(jié)果,采用LiCl-CsCl所制備STSO樣品同樣為片狀結(jié)構(gòu),在同一反應(yīng)溫度下,其厚度略低于以LiCl-KCl為熔鹽合成的產(chǎn)物。這一對比實驗表明可選用不同混合熔鹽來進(jìn)行STSO的低溫合成反應(yīng),而且熔鹽陽離子的種類對產(chǎn)物的形貌有一定影響。這里需要注意,所選混合熔鹽的熔點須低于STSO的熱力學(xué)結(jié)晶溫度(520℃),如果將這一方法用于合成其他氧硫化物粉末,則對熔鹽熔點的要求須做出相應(yīng)調(diào)整。
圖5 以LiCl-CsCl為熔鹽,在不同溫度下反應(yīng)15 h所得STSO粉末的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of STSO samples synthesized with LiCl-CsCl at different temperatures for 15 h
采用以 LiCl-KCl、LiCl-CsCl為熔鹽在 540~700℃溫度區(qū)間合成的STSO樣品作為光催化劑,在Na2S-Na2SO3犧牲劑以及可見光照射條件下測試其光催化產(chǎn)氫半反應(yīng)活性,考察催化劑制備條件與活性的關(guān)聯(lián)性。STSO顆粒表面首先擔(dān)載IrO2納米顆粒作為光催化氧化中心,在此基礎(chǔ)之上,再采用原位光還原方法擔(dān)載Pt作為產(chǎn)氫助催化劑,將共擔(dān)載2種助催化劑的STSO記作Pt-IrO2/STSO。如圖6所示,隨著反應(yīng)溫度的升高,采用2種熔鹽所合成STSO催化劑的產(chǎn)氫活性都呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,在650℃下所合成催化劑都表現(xiàn)出最高產(chǎn)氫活性,其中采用LiCl-CsCl合成的STSO表現(xiàn)出更高產(chǎn)氫速率,達(dá)到35 μmol·h-1左右。隨著合成溫度的升高,一方面STSO樣品的結(jié)晶度提升(圖1),晶格缺陷減少,有利于光生電子-空穴對的分離和傳輸,從而提升光催化活性;另一方面,樣品的顆粒尺寸逐步增大(圖4、5),單位質(zhì)量催化劑的活性位點減少,不利于產(chǎn)氫速率的提升。圖6中合成溫度與產(chǎn)物光催化活性所表現(xiàn)出的“火山”型曲線或許是這2種因素綜合作用的結(jié)果。
圖6 采用兩種熔鹽在不同溫度下合成的STSO的光催化產(chǎn)氫活性Fig.6 Photocatalytic hydrogen production activity of STSO synthesized with two kinds of flux at different temperatures
圖7 STSO在不同空穴犧牲劑溶液中的光催化產(chǎn)氫活性Fig.7 Photocatalytic hydrogen production over STSO in solutions containing different sacrificial reagents
圖7所示為STSO在含有不同空穴犧牲劑溶液中的光催化產(chǎn)氫活性對比。由圖可知,空穴犧牲試劑的種類對產(chǎn)氫活性的影響非常明顯,采用甲醇、三乙基胺及三乙醇胺時的活性相對較低,而在抗壞血酸水溶液中可獲得最高100 μmol·h-1的平均產(chǎn)氫速率,這可能是因為抗壞血酸具有相對較低的氧化電位。以往研究表明[20],STSO的導(dǎo)帶與價帶能級分別為—1.3及0.8 V(vs NHE),而且基本不隨溶液pH值的改變而移動,較負(fù)的價帶能級導(dǎo)致光氧化易成為STSO光催化反應(yīng)的速控步驟[12],這或許是圖7中光催化產(chǎn)氫活性隨不同犧牲劑產(chǎn)生明顯變化的原因所在。由于文獻(xiàn)中大多采用Na2S-Na2SO3作為犧牲劑來考察氧硫化物光催化劑的活性和穩(wěn)定性,為便于對比,我們在下面的實驗中也沿用這一反應(yīng)體系來評價STSO的穩(wěn)定性。
由于S2-離子的標(biāo)準(zhǔn)氧化電位較負(fù)(—0.48 V vs RHE),硫氧化物半導(dǎo)體催化劑在反應(yīng)過程中有可能發(fā)生自身的光氧化腐蝕反應(yīng),導(dǎo)致催化反應(yīng)活性降低。我們選用LiCl-CsCl熔鹽在650℃下所合成的STSO為催化劑,考察其光催化產(chǎn)氫反應(yīng)穩(wěn)定性,結(jié)果如圖8所示。由圖可知,在20 h的反應(yīng)過程中并未觀察到催化劑活性的明顯降低,這與高溫下合成的STSO的穩(wěn)定性結(jié)果相同[12,20],表明本工作中在較低溫度下合成的STSO同樣具有持續(xù)的光催化產(chǎn)氫性能。此外,溶液中含有的Na2S-Na2SO3犧牲劑以及催化劑表面擔(dān)載的Pt-IrO2助催化劑都有利于維持STSO表面光催化反應(yīng)的穩(wěn)定性。在這一反應(yīng)體系中,該樣品在(420±20)nm的單色光照射下光催化產(chǎn)氫的量子效率為0.3%。
圖8 STSO的光催化穩(wěn)定性Fig.8 Photocatalytic stability of STSO
圖9 STSO穩(wěn)定性測試前后XPS譜圖、XRD圖及TEM照片F(xiàn)ig.9 XPS spectra,XRD patterns and TEM images of the STSO samples before and after stability test
圖9為STSO粉末在20 h穩(wěn)定性測試前后的物性表征對比。反應(yīng)前后,Sm3d5/2與Ti2p的XPS譜峰并未發(fā)生明顯變化,S2p的能譜包含2個峰,分別對應(yīng) S0(162.5 eV)與 S2-(161.0 eV)物種,反應(yīng)后 S0的相對含量有所增加,應(yīng)該是反應(yīng)過程中S2-被氧化為硫單質(zhì)吸附在STSO表面所致,O1s能級也出現(xiàn)2個峰,初步歸屬為氧化物(530.3 eV)與表面吸附的羥基氧(532.2 eV)的信號[11]。分析圖9a,反應(yīng)后樣品的XRD沒有出現(xiàn)任何雜峰,且峰高與反應(yīng)前相近,說明反應(yīng)過程中STSO各晶面保持完整,此外,單質(zhì)硫的譜峰并未出現(xiàn)在反應(yīng)后的XRD中,表明光催化反應(yīng)后僅有少量硫負(fù)載在催化劑表面。由圖9f和9g可知,反應(yīng)前后樣品均為薄片狀,且表面形貌并未發(fā)生明顯變化,樣品表面分布一定數(shù)量尺寸為5 nm左右的黑點,通過對比潔凈STSO顆粒表明這些黑點是擔(dān)載的Pt與IrO2助催化劑顆粒。
采用熔鹽法,以TiO2、TiS2及Sm2O3為反應(yīng)物,分別以LiCl-KCl及LiCl-CsCl為熔鹽,在不同反應(yīng)溫度下合成STSO顆粒。通過分析產(chǎn)物XRD數(shù)據(jù),首次表明STSO的熱力學(xué)結(jié)晶溫度在520℃左右,隨著合成溫度的增加,產(chǎn)物結(jié)晶度快速升高。SEM照片顯示,采用2種混合熔鹽制備所得STSO都呈片狀形貌,片厚度隨反應(yīng)溫度提升而增加;同一溫度下,采用LiCl-CsCl熔鹽所制備STSO的厚度略小于LiCl-KCl所得產(chǎn)物,表明合成溫度及熔鹽種類均可用于調(diào)控STSO的顆粒尺寸。光催化實驗表明,在含有Na2S-Na2SO3空穴犧牲劑溶液中,所制備的STSO表現(xiàn)出較好的可見光分解水產(chǎn)氫活性與穩(wěn)定性,在20 h的反應(yīng)過程中,并未觀察到催化劑活性的降低。
相對于傳統(tǒng)的固相法與硫化氫硫化法,熔鹽法合成的硫氧化物在產(chǎn)物形貌、顆粒尺寸、光催化活性以及制備能耗等方面都有一定優(yōu)勢,同時,熔鹽法的自結(jié)晶過程也為研究材料的結(jié)晶生長動力學(xué)提供了可能。此外,采用低溫熔鹽法合成氧硫化物也可最大限度地避免其他副產(chǎn)物晶體的生成,以我們制備的STSO為例,傳統(tǒng)制備方法中最常見的副產(chǎn)物為Sm2Ti2O7,該氧化物材料的結(jié)晶溫度在800℃左右,遠(yuǎn)高于本文報道的STSO的最低結(jié)晶溫度,在采用的合成溫度區(qū)間(540~700℃)內(nèi)并未觀察到Sm2Ti2O7晶體衍射峰信號。低溫熔鹽法的弊端是合成產(chǎn)物的結(jié)晶度相對較低,這在一定程度上會降低其光催化反應(yīng)活性,通過與其他后續(xù)結(jié)晶方法聯(lián)用,我們預(yù)期可以制備出小顆粒尺寸、高結(jié)晶度、形貌規(guī)則、高活性的氧硫化物光催化劑材料。