微波辅助快速制备2D/1D ZnIn_(2)S_(4)/TiO_(2) S型异质结及其光催化制氢性能

能源危机的威胁在过去二十年里引起了全球性广泛关注。由于地球上具有丰富的太阳能和水资源,光催化分解水制氢被认为是获取绿色能源的一种有效途径。迄今为止,许多光催化剂已经得到了深入研究。其中,TiO_(2)以其无毒、化学稳定性高、形态可控、光催化活性强等优点得到了广泛的关注。特别是1D结构的TiO_(2)纳米纤维具有独特的一维电子转移轨迹,较大的吸附能力和较高的光生电子-空穴对(e~--h~+)传输速率等优点在光催化领域更是受到研究人员的青睐。尽管如此,TiO_(2)仍存在带隙大、光生电子-空穴对复合速率快等缺点,使其在制氢反应(HER)中效率不高。因此,构建高性能、经济、环保的光催化剂是实现太阳能高效转化的一大挑战。最近,各种提高TiO_(2)光催化活性的策略得到了广泛研究,包括与窄带隙半导体(如ZnIn_(2)S_(4))的耦合等。另外,微波辅助合成技术以其成本低、设备简单、环境无污染、反应速度快等优点,已成为制备光催化半导体材料的一种重要手段。在本工作中,为解决TiO_(2)带隙宽(约3.2 e V)和电子-空穴对复合速率快等缺点,通过微波辅助合成技术快速地将2D结构的ZnIn_(2)S_(4)纳米片原位组装在TiO_(2)纳米纤维上,构筑2D/1D ZnIn_(2)S_(4)/TiO_(2)S型异质结。通过调节ZnIn_(2)S_(4)前驱体与TiO_(2)NFs的摩尔比,可以很容易地控制TiO_(2)纳米纤维上ZnIn_(2)S_(4)负载量。实验结果表明:相对于纯ZnIn_(2)S_(4)和TiO_(2)而言,ZnIn_(2)S_(4)/TiO_(2)异质结光催化剂在太阳光照射下的光吸收和制氢性能得到明显提高。在优化条件下,样品ZT-0.5 (ZnIn_(2)S_(4)与TiO_(2)的摩尔比为0.5)具有最佳制氢性能,达到8774mmol·g^(-1)·h^(-1),分别是纯TiO_(2)纳米纤维(3312mmol·g^(-1)·h^(-1))和ZnIn_(2)S_(4) (3114mmol·g^(-1)·h^(-1))纳米片的2.7倍和2.8倍。基于实验结果,我们提出来一种在ZnIn_(2)S_(4)和TiO_(2)间形成的S型异质结机理,并很好地阐释了ZnIn_(2)S_(4)/TiO_(2)复合材料光催化制氢活性增强的原因。