介孔中空SiC基纳米纤维的制备及其可见光催化特性
发布时间：2021-06-26 18:46
能源短缺和化学污染是当今全球快速发展面临的两大挑战。氢能被认为是一种理想的新能源,具有燃烧热值高、资源丰富、清洁无污染、减轻燃料自重等系列优点。在众多技术中,半导体光催化分解水产氢被认为是解决目前全球能源危机和环境问题的最具发展前景的技术手段之一。碳化硅（SiC）是第三代半导体的重要材料之一,具有突出的稳定性和耐光腐蚀性。虽然当前SiC光催化研究已取得了一些进展,但依然面临如下主要的困难和挑战:i)比表面积偏低;ii)表面吸附性差;iii)产氢活性效率偏低。本论文针对上述问题,开展相关研究工作,首先通过工艺的探索和优化,实现了介孔中空SiC纳米纤维光催化剂材料的制备及其结构调控,然后在其表面原位生长石墨烯和负载CdS,在提高其比表面积的同时,强化其光生载流子分离与转移,进而实现其可见光催化产氢性能的强化。所取得的主要研究成果如下:以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚氮硅烷（PSN）为原料,采用静电纺丝和高温热解,实现了介孔中空SiC纳米纤维的制备及其结构调控。研究结果表明,原料中PVP和PSN的质量浓度是影响SiC介孔中空纳米纤维制备的关键参数之一。其可见光最佳产氢速率为7.67 μmol ...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１半导体光催化反应示意图??
但仅有很少部分的半导体能够完成步骤（３）水的分解反应。这是因为水??的分解不仅取决于半导体催化剂是否具有合适的禁带宽度，还取决于是否达??到电化学方面的要求，如图２－２中列举了一些半导体材料的能带结构，并且??与氢和氧的电极电势相对比（需要说明的是，氢和氧电极电势的数值与溶液??的ｐＨ值直接相关）。其中只有导带底的位置高于（或负于）氢的电极电势的??半导体所产生的光生电子才具有充足的能力还原Ｈ２？产生Ｈ２；半导体价带??顶的位置低于（或正于）氧的电极电势，所生成的光生空穴才具备将Ｈ２０氧??化生０２的能力；简略地归纳，半导体光催化剂的导带底位置必需要位于Ｈ＋／Ｈ２??电位（Ｅ＝０ＶｖｓＮＨＥ，?ｐＨ＝０）的上面，若导带位置越高，其电位越负，则它??的还原能力就越强；产氧反应则需要半导体的价带电位处于氧的电极电位??〇２／Ｈ２０?（Ｅ＝１．２３ＶｖｓＮＨＥ，ｐＨ＝０）的下面，其电位越正，则其氧化能力就越??强。如果仅只满足产氢的还原电位或者产氧的氧化电位之一，则需在有牺牲??剂的条件下才能够实现产氢或氧。??Ｅ?（Ｖ?ｖｓ．?ＮＨＥ）??４?＼??－２．０?－??？Ｉ?〇?？?ｒ■■■＂＇＂＂＂＂ｉ?ｆ．??ｎ?ｎ?＂Ｔ？?ｃ—ｉ???Ｈ７Ｈ２??ｗ
解电势１．２３?ｅＶ这一条件才有可能发生全分解水反应，同时还要考虑到热力??学因素及过电位等方面的影响，一般认为半导体的带隙应在２ｅＶ以上［２］，其??对应的光吸收范围则在６００ｎｍ以下。从太阳光谱图（图２－３）可知，紫外光??占约４％，可见光占约４６％，红外光占约５０％。根据上述半导体光催化解水??氢的需求可知，太阳光谱中占比最大的红外光不能用于光解水，因此如何高??效开发可见光这部分能量是半导体光催化解水实现工业化应用的关键问题。??紫外线可ａ光?近红外线??１．６?．．．．．．．．．．．．．．．．．．?■??‘壓?Ｉｋ?－??１：：?Ｉ?ｎ??ｇ〇４?｜?Ｉ?ｉｆｖ?｜?太?＿?麦全鸯谱?＿??＝ｉ?■亂?’?ｆ?＼ｊＴ＾＼??２５０?５００?７５０?１０００?１２５０?１５００?１７５０?２０００?２２５０?２５００??波长［ｎｍ］??图２－３太阳光谱图??２．２半导体光催化材料的开发??２．２．１无机化合物半导体??自从１９７２年开创性地通过半导体光催化实现水分解到现在以来。科研人??员从元素周期表出发，数百种可以用做光催化的材料被挖掘出来，其中无机??化合物半导体是最主要的光催化材料，如氮化物、金属氧化物、硫化物、磷??化物以及他们的复合物等。在己知的可以应用于光催化过程的无机半导体材??料的元素组成拥有以下特征：通过拥有ｄＱ或ｄ１（）电子结构的金属元素与一些??非金属元素组成半导体的基本晶体结构，并决定其能带结构；一些碱金属、??碱土金属或镧系元素也能够介入上述半导体晶体结构的构成
【参考文献】：
期刊论文
[1]硼掺杂SiC的制备、表征及其可见光分解水产氢性能（英文）[J]. 董莉莉,王英勇,童希立,靳国强,郭向云. 物理化学学报. 2014(01)
本文编号：3251878
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１半导体光催化反应示意图??
但仅有很少部分的半导体能够完成步骤（３）水的分解反应。这是因为水??的分解不仅取决于半导体催化剂是否具有合适的禁带宽度，还取决于是否达??到电化学方面的要求，如图２－２中列举了一些半导体材料的能带结构，并且??与氢和氧的电极电势相对比（需要说明的是，氢和氧电极电势的数值与溶液??的ｐＨ值直接相关）。其中只有导带底的位置高于（或负于）氢的电极电势的??半导体所产生的光生电子才具有充足的能力还原Ｈ２？产生Ｈ２；半导体价带??顶的位置低于（或正于）氧的电极电势，所生成的光生空穴才具备将Ｈ２０氧??化生０２的能力；简略地归纳，半导体光催化剂的导带底位置必需要位于Ｈ＋／Ｈ２??电位（Ｅ＝０ＶｖｓＮＨＥ，?ｐＨ＝０）的上面，若导带位置越高，其电位越负，则它??的还原能力就越强；产氧反应则需要半导体的价带电位处于氧的电极电位??〇２／Ｈ２０?（Ｅ＝１．２３ＶｖｓＮＨＥ，ｐＨ＝０）的下面，其电位越正，则其氧化能力就越??强。如果仅只满足产氢的还原电位或者产氧的氧化电位之一，则需在有牺牲??剂的条件下才能够实现产氢或氧。??Ｅ?（Ｖ?ｖｓ．?ＮＨＥ）??４?＼??－２．０?－??？Ｉ?〇?？?ｒ■■■＂＇＂＂＂＂ｉ?ｆ．??ｎ?ｎ?＂Ｔ？?ｃ—ｉ???Ｈ７Ｈ２??ｗ
解电势１．２３?ｅＶ这一条件才有可能发生全分解水反应，同时还要考虑到热力??学因素及过电位等方面的影响，一般认为半导体的带隙应在２ｅＶ以上［２］，其??对应的光吸收范围则在６００ｎｍ以下。从太阳光谱图（图２－３）可知，紫外光??占约４％，可见光占约４６％，红外光占约５０％。根据上述半导体光催化解水??氢的需求可知，太阳光谱中占比最大的红外光不能用于光解水，因此如何高??效开发可见光这部分能量是半导体光催化解水实现工业化应用的关键问题。??紫外线可ａ光?近红外线??１．６?．．．．．．．．．．．．．．．．．．?■??‘壓?Ｉｋ?－??１：：?Ｉ?ｎ??ｇ〇４?｜?Ｉ?ｉｆｖ?｜?太?＿?麦全鸯谱?＿??＝ｉ?■亂?’?ｆ?＼ｊＴ＾＼??２５０?５００?７５０?１０００?１２５０?１５００?１７５０?２０００?２２５０?２５００??波长［ｎｍ］??图２－３太阳光谱图??２．２半导体光催化材料的开发??２．２．１无机化合物半导体??自从１９７２年开创性地通过半导体光催化实现水分解到现在以来。科研人??员从元素周期表出发，数百种可以用做光催化的材料被挖掘出来，其中无机??化合物半导体是最主要的光催化材料，如氮化物、金属氧化物、硫化物、磷??化物以及他们的复合物等。在己知的可以应用于光催化过程的无机半导体材??料的元素组成拥有以下特征：通过拥有ｄＱ或ｄ１（）电子结构的金属元素与一些??非金属元素组成半导体的基本晶体结构，并决定其能带结构；一些碱金属、??碱土金属或镧系元素也能够介入上述半导体晶体结构的构成
【参考文献】：
期刊论文
[1]硼掺杂SiC的制备、表征及其可见光分解水产氢性能（英文）[J]. 董莉莉,王英勇,童希立,靳国强,郭向云. 物理化学学报. 2014(01)
本文编号：3251878
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