Page 105 - 精细化工2019年第12期
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第 12 期           田少鹏，等:  构建 MoS 2 /Fe-g-C 3 N 4 异质结催化剂以促进其可见光催化产氢性能                     ·2433·


            1∶1 组成的溶剂中，在 20 kHz、750 W 条件下超声                    2    结果与讨论
            处理 8 h，使得所制催化剂脱离剥落为片层结构，将
            所得溶液在 3000 r/min 下离心 30 min，收集沉淀物，                 2.1    XRD 分析
            60 ℃干燥过夜，得到一系列 y%  MoS 2 /Fe-g-C 3 N 4 复               图 1 为催化剂 g-C 3 N 4 、3% Fe-g-C 3 N 4 、3% MoS 2 /
            合材料，其中，y%表示 MoS 2 在催化剂中的含量（以                       Fe-g-C 3 N 4 的 XRD 谱图。如图 1 所示，单体 g-C 3 N 4
            g-C 3 N 4 的质量为基准计算得到）。前期实验验证，3%                    在 2θ=27.8、13.2处出现两个明显衍射峰，与标准
            MoS 2 /Fe-g-C 3 N 4 的光催化效果最佳。故以其进行后                g-C 3 N 4  XRD 谱图（JCPDS 87-1526）一致，说明所
            续测试。                                               制催化剂为石墨相的氮化碳             [13-15] 。其中，2θ=27.8
            1.3    催化剂的表征方法                                    处的强衍射峰对应于 g-C 3 N 4 的（002）晶面，其强
                 利用 X 射线衍射仪测定催化剂的 X 射线衍射光                      度与环状芳香物层间堆积有关；2θ=13.2处的弱衍
            谱（XRD），以 Cu 靶作为辐射电源，工作电压为 40 kV，                   射峰对应于 g-C 3 N 4 的（100）晶面，其强度与同面
            电流为 30 mA。傅里叶变换红外（FTIR）光谱测试                        3-s-三嗪环（均三嗪）周期性排列有关。Fe 掺杂之
                                     –1
                                                       –1
            的扫描范围为 400~4000 cm ，分辨率为 0.2 cm 。                  后（图 1b），出现了新的衍射峰，经与标准卡片
            SEM 图利用扫描电子显微镜获得，扫描之前对样品
                                                               （JCPDS  421315）对比可知，这些衍射峰归属于
            进行喷金处理以提高其导电性。TEM 图利用透射电                                             3+
                                                               FeOOH，这说明 Fe 是以 FeOOH 的形式掺杂在
            镜获得，工作电压 200 kV，分辨率 0.2 nm。氮气吸                                                               [16]
                                                               g-C 3 N 4 催化剂中，这与 Liu 等人的研究结果一致              。
            附-脱附等温线在 ASAP-2400 物理吸附仪上测量，
                                                               同时，催化剂 3%Fe-g-C 3 N 4 的两个特征衍射峰明显
            孔径根据 BJH（Barrett-Joyner-Halenda）公式估算，
                                                               减弱。其中，2θ=13.2处衍射峰的减弱可能是由于
            比表面积根据 BET（Brunauer-Emmett-Teller）公式
                                                               FeOOH 嫁接在 g-C 3 N 4 的 3-s-三嗪环表面所致       [16] ，而
            估算。紫外-可见光谱（UV-Vis）利用紫外-可见-近
                                                               2θ=27.8处衍射峰的减弱可能是由于 Fe 的掺杂使
            红外分光光度计获得。荧光光谱(PL)在分光光度计
            上获得。X  射线光电子能谱( XPS )利用光电子能谱                       g-C 3N 4 的紧密层间堆积变得松散无序所致。Ma 等              [17]
            仪获得。                                               发现，Fe 的掺杂可以使 g-C 3 N 4 紧密的层间结构变得
            1.4    瞬态光电流实验                                     无序扭曲，极大地增加了催化剂的比表面积，从而
                 瞬态光电流测试在 CHI660E 型电化学工作站完                     改善催化剂的活性，这与本文的研究结果一致。在
            成。测量时，电解液为 0.2  mol/L 的 Na 2 SO 4 溶液。              3%MoS 2 /Fe-g-C 3 N 4 样品的 XRD 谱图中（图 1c），并
            采用标准三电极体系，Ag/AgCl 电极作为参比电极，                        未发现 MoS 2 的衍射峰，这可能是由于 MoS 2 含量较
            铂丝作为对电极，制备涂有样品的 FTO  （Fluorine-                    低，分散性较好。同时发现，MoS 2 的加入进一步降
            doped  Tin  Oxide）玻璃作为工作电极。工作电极的                   低了 g-C 3 N 4 的衍射峰强度，这暗示了 MoS 2 对 g-C 3 N 4
            制备过程为：首先，分别用乙醇、蒸馏水超声清洗                             的电子结构具有改性作用，从而可降低光生载流子
            FTO 玻璃片 15  min（蒸馏水清洗 3 次），然后，吹                    和空穴的复合速率        [16-17] 。
            干待用；取 0.005  g 样品置于研钵中，加入 0.4  mL
            乙醇、16  µL 杜邦膜溶液，研磨 20  min；将混合溶
            液均匀滴加在 FTO 玻璃片表面，晾干待用。
            1.5    光催化活性评价
                 催化剂光催化分解水的产氢能力通过中教金源
            集成产氢装置完成，实验在 100 mL 石英反应器中进
            行。首先，称取 30  mg 催化剂样品分散于 5  mL 三
            乙醇胺（牺牲剂）和 45 mL 蒸馏水的混合溶液中，
            加入 262  L 浓度 0.1  mol/L 的 H 2 PtCl 6 溶液使得 Pt
            的质量分数为 3%；反应在真空以及循环冷凝水状态
            下进行，以 300 W 氙灯作为光源，加入滤波片（=                        图 1  (a)  g-C 3 N 4 、(b)  3%  Fe-g-C 3 N 4 和(c)3%  MoS 2 /Fe-g-
            420 nm）过滤紫外光，每半小时系统自动通过气相                               C 3 N 4 的 XRD 谱图
                                                               Fig. 1    XRD patterns of (a) g-C 3 N 4 , (b) 3% Fe-g-C 3 N 4  and
            色谱记录一次氢气的含量。测量催化剂光催化产氢
                                                                     (c) 3% MoS 2 /Fe-g-C 3 N 4
            活性时，第 1 h 为在线还原 Pt 助剂的过程，氢气产
            率略低，所以产氢速率为第 2~8  h 的平均值，产氢                        2.2    FTIR 分析
            速率公式为：产氢速率=产氢量/时间。                                     图 2 为催化剂 g-C 3 N 4 、3% Fe-g-C 3 N 4 、3% MoS 2 /
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