Published on April 07, 2021

基于碳掺TiO₂/Ti₃C₂-TiO₂纳米管阵列光阳极与Cu₂O阴极的光电催化性能

毕业论文（第五章）

First Author: bowen.gao

Keywords: MXene , nitrogen fixation , photoeletrochemistry , TiO₂ nanotube arrays

Abstract

利用负载 C 掺杂 TiO₂/Ti₃C₂ 的 TiO₂ 纳米管阵列（TiO₂/Ti₃C₂-TNT）修饰阳极，并利用 Cu₂O 修饰阴极，构建了阴阳两极同时修饰的光电催化体系。经 XRD 与 XPS 分析，部分 Ti₃C₂（MXene）在水热过程中转化为了 TiO₂，且未完全反应的 C 以掺杂的方式存在于 TiO₂中。经过 N₂-TPD 分析，表明 N₂ 气能够在 Cu₂O 表面发生化学吸附，进而利于后续固氮反应的发生。在紫外-可见光照射下，TiO₂/Ti₃C₂-TNT 光阳极的光电流密度为 ~1.01 mA ∙ cm^-2，较纯 TiO₂ 纳米管阵列提升了 4.0 倍。此外，实验表明以 TiO₂/Ti₃C₂-TNT 为光阳极、Cu₂O 为阴极的光电催化固氮性能最好。在 0.5 M Na₂SO₄ 水溶液和甲醇溶液中，阴、阳极同时修饰的氨合成速率分别为~2.20 和~15.27 μmol ∙ L^-1 ∙ cm^-2，较阴极未利用 Cu₂O 修饰时分别提高了 48.60%和 60.20%；未添加甲醇时，阴、阳极同时修饰的法拉第效率达到了 47.84%。结果表明，该体系可合理利用光催化与电催化的优势。其中，TiO₂/Ti₃C₂-TNT 作为光阳极，能够充分利用太阳能，以降低固氮反应所需的外加偏压。同时，光阳极还能产生光电流，从而使得更多电子 迁移至阴极（Cu₂O）参与还原反应，即提高了参与反应总电荷数量（Q），进而提高体系的氨合成速率；Cu₂O 作为阴极，为固氮过程中 N₂的化学吸附及其活化提供了有利条件，可有效增强氮气还原反应的选择性，并提高体系的法拉第效率。