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2D/3D ZnIn2S4/TiO2复合物的原位构筑及其提高的光催化性能

本站小编 Free考研考试/2022-02-14

摘要/Abstract



通过高温煅烧和油浴的方法构筑二维/三维(2D/3D) ZnIn2S4/TiO2异质结, 应用于光催化降解罗丹明B (RhB)和四环素(TC), 来研究异质结的构筑对TiO2可见光响应范围和光生载流子对分离效率的影响. 结果表明, TiO2维持了MOFs的形貌, 显示窄的可见光响应范围和高的光生电荷复合率, 与ZnIn2S4纳米片复合后, TiO2的比表面积增大, 光催化活性位点增多. 带隙宽度也由TiO2的3.23 eV减小到ZnIn2S4/TiO2-II的2.52 eV, 从而获得了更宽的可见光响应范围. 能带结构表明ZnIn2S4/TiO2是type II型异质结, 提高了光生载流子对的分离与转移效率. 在可见光照射下, ZnIn2S4/TiO2-II显示了最高的RhB光催化降解效率(93%), 分别是TiO2和ZnIn2S4的18和2倍. 同时, ZnIn2S4/TiO2-II也显示出比TiO2和ZnIn2S4更高的TC降解效率(90%). 循环实验表明ZnIn2S4/TiO2-II能保持良好的稳定性, 经5次循环实验后仍能降解83%的RhB. 研究表明基于MOFs衍生的TiO2构筑2D/3D ZnIn2S4/TiO2异质结是提高TiO2光催化性能的一条有效途径.
关键词: 光催化, 二氧化钛, 金属有机框架材料, 异质结, 可见光响应
To study the influence of the construction of heterojunction on the visible-light response range and the photo-generated charge carriers separation efficiency of TiO2, two dimensional/three dimensional (2D/3D) ZnIn2S4/TiO2 heterojunctions were synthesized by high-temperature calcination followed by a facile oil bath method, and were investigated for the photodegradation of Rhodamine B (RhB) and tetracycline (TC). X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were applied to investigate the composition, crystal structure, and morphology of the as-prepared specimens. UV-visible diffuse reflectance spectra (UV-vis DRS), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), photocurrent measurement, photoluminescence (PL) spectra, and first-principles calculation were also performed to investigate the photoelectric property. The results showed TiO2 maintains the morphology of metal-organic frameworks (MOFs) with narrow visible-light response range and high photo-generated charge recombination efficiency. After coupling with ZnIn2S4 nanosheets, a larger specific surface area was obtained with offering more active sites for photocatalytic reaction. The band gap of the composite was reduced from 3.23 eV of TiO2 to 2.52 eV of ZnIn2S4/TiO2-II, and thus obtaining an extended visible-light response range and enhancing visible light utilization rate. The energy band structure acquired from the UV-vis DRS and XPS valence band spectra indicated a construction of type II heterojunction in the ZnIn2S4/TiO2 composite, and thus improving the separation and transfer efficiency of photo-generated carrier pairs, which was confirmed by the PL, EIS and photocurrent test results. Under the visible light, ZnIn2S4/TiO2 displayed significantly enhanced photocatalytic activity than bare TiO2 and ZnIn2S4. Among of ZnIn2S4/TiO2 photocatalysts, ZnIn2S4/TiO2-II possessed the highest photocatalytic degradation efficiency (93%) of RhB solution within 60 min, which was nearly 18 and 2 times higher than pristine TiO2 and ZnIn2S4, respectively. Besides, the ZnIn2S4/TiO2-II photocatalyst also showed enhanced photocatalytic activity for TC degradation than pure TiO2 and ZnIn2S4. The cycle experiment showed that the ZnIn2S4/TiO2-II photocatalyst could maintain good reusability, and it could still photodegrade 83% RhB after 5-cycle test. This work demonstrates that constructing 2D/3D ZnIn2S4/TiO2 heterojunction based on MOFs-derived TiO2 is an efficient strategy for significantly enhancing the photocatalytic activity of TiO2.
Key words: photocatalysis, titanium dioxide, metal-organic frameworks, heterojunction, visible-light response


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