光催化全解水助催化剂的设计与构建

发布时间：2021-10-09 00:42

　　能源和环境危机是当今社会面临的两大关键课题,利用太阳光驱动化学反应、将太阳能转化为化学能是解决上述问题的重要措施。通过光催化分解水是直接利用太阳能生产氢燃料的有效策略。光催化水分解过程可以分为三个基元步骤:光吸收、电荷分离与迁移、以及表面氧化还原反应。助催化剂可有效提高电荷分离效率、提供反应活性位点并抑制催化剂光腐蚀的发生,进而提高水分解效率。助催化剂也可以通过活化水分子以提高表面氧化还原动力学,进而提升整体光催化反应的太阳能转换效率。本文综述了助催化剂在光催化反应中的重要作用以及目前常用的助催化剂类型,详细说明了在光催化全解水过程中双助催化剂体系的构建及作用机理,并根据限制全解水的关键因素提出了新型助催化剂的设计策略。 

【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(03)北大核心SCICSCD

【文章页数】：11 页

【部分图文】：

Co3O4/HCNS/Pt和(b)(Co3O4+Pt)/HCNS全光谱(λ>300 nm)下光催化全解水的活性对比86

本课题组设计一种具有强协同作用的复合助催化剂Pt/Ni(OH)2，利用原位光诱导策略，将Ni2P前驱体光驱动氧化为Ni(OH)2并原位生长于C3N4纳米片上，之后利用静电相互作用将Pt以小团簇的形式选择性地沉积到Ni(OH)2的表面，形成Pt/Ni(OH)2复合助催化剂，如图7所示。理论计算和实验结果表明，纳米Pt与Ni(OH)2的紧密接触引发了强Ptσ+-Oσ--Niσ+交互作用，这种交互作用在强化电子传递的同时，增强了催化剂在表面反应过程中对H2O分子的吸附能力，同时使H―OH键更易被活化，有效降低了H2O分子解离的活化能，进而提高水分解过程中的表面反应动力学速率。将Pt/Ni(OH)2复合助催化剂负载在C3N4上，活性比单一的Pt或Ni(OH)2助催化剂均明显提高，Pt/Ni(OH)2-C3N4在420 nm处的光催化全解水的表观量子效率达到了1.8%。相较于Pt、Ni(OH)2分别负载在C3N4上的常规双助催化剂体系而言，Pt/Ni(OH)2也具有明显的优势。值得一提的是，Pt/Ni(OH)2作为助催化剂实现了Ti O2上的全解水反应，而常规的双助催化剂策略并不能使Ti O2全解水87。4 结论与展望

水分子在催化剂表面的活化(吸附解离)是水分解反应的起始和关键步骤。常规的产氢助催化剂如Pt等虽然具有良好的吸附质子和促进质子复合成氢气的能力，但对水分子吸附能力较差；而Co、Mn、Ni氢氧化物等氧化助催化剂难以有效地促进质子复合。在常规双助催化剂修饰的半导体中，这两种助催化剂通常是空间分离的，难以同时实现对水分子活化和氢氧产生的促进。因此全解水中水分子活化限制了反应效率。设计新型的复合助催化剂体系以加速水分解的表面反应动力学尤为重要。图6(a)Co3O4/HCNS/Pt和(b)(Co3O4+Pt)/HCNS全光谱(λ>300 nm)下光催化全解水的活性对比86


本文编号：3425299