原位制备SnO2/SnS2异质结促进光催化污染物降解

摘要

光催化技术作为一种新兴的绿色催化技术,在解决环境污染、缓解能源短缺等方面得到了广泛的研究,但光生载流子易复合的问题极大限制了该技术的应用.构建光催化剂内建电场的方法可有效提高异质结光催化剂的光生载流子分离效率,进而提高光催化效率.然而如何在两种半导体界面形成紧密接触的异质结结构仍然存在一定的挑战.本文通过在含硫前驱液中加入SnO2纳米颗粒,在水热条件下利用原位离子交换的方法合成了SnO2/SnS2异质结光催化剂.形貌表征发现此法所制备催化剂是一种复合有纳米颗粒的六边形结构纳米片异质结光催化剂,透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)表征证实其具有紧密连接的异质结结构.高倍TEM图显示SnO2颗粒均紧密负载在SnS2纳米片上.同时,XPS测试结果表明,在SnO2/SnS2异质结构中Sn 3d5/2的结合能为486.43 eV,介于SnS2与SnO2的结合能之间,这一结果可归结为SnO2与SnS2形成了紧密结合的异质结.此外,紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)测试结果表明,由于SnS2的存在拓宽了单纯SnO2光催化剂的光吸收范围,样品的光吸收范围成功地从紫外光波长范围扩展到可见光波长范围,进而提高了其对太阳光的利用率.本文进一步采用有机染料的光催化降解作为探针反应,对所制备催化剂进行了光催化性能评价.光催化降解亚甲基蓝(MB)的实验结果显示,SnO2/SnS2异质结样品相比纯相的SnO2和SnS2以及SnO2&SnS2的机械混合样品均表现出更高的降解效率,验证了该紧密连接的异质结光催化剂具有更优的光催化性能.为了进一步探究SnO2/SnS2异质结光催化剂的光降解机理和光生载流子迁移过程,通过活性物种捕获实验探索了光降解过程中的活性物种.实验结果显示,在SnO2/SnS2异质结光催化剂降解有机物的过程,超氧自由基是污染物光降解过程中的主要活性物种.光生载流子迁移过程探究表明作为电子传输体的SnO2能够快速传导光生电子并使得光生电子与水体中溶解氧发生反应产生超氧自由基.此外,光电化学测试结果证实该紧密连接的异质结结构可有效提高光生电子空穴对的分离效率.电化学阻抗谱Bode图结果证明,原位制备的SnO2/SnS2异质结具有最长的光生载流子寿命(41.6μs),进一步验证了具有紧密连接的异质结结构光催化剂可以有效提高对有机污染物光催化降解效率.综上所述,通过离子交换原位转化SnO2制备的SnO2/SnS2异质结构光催化剂所形成的紧密异质结结构能有效地提高光催化处理有机污染物的性能.