金纳米棒-卟啉核壳结构制备及其可见光催化特性研究

发布时间：2020-11-03 22:56

　　 表面等离激元材料因其在外界光场的激发下所表现出的特有的表面等离激元共振特性(SPR)而备受关注,广泛应用于催化、成像、检测、生物等领域。作为一种典型的各向异性等离激元纳米材料,金纳米棒(GNRs)具有响应波长在550 nm-1550 nm之间可调、生物相容性良好、化学稳定性高等特点。近年来研究表明金纳米棒能够增强半导体材料的光催化活性,但目前多为无机半导体用于光催化,吸收大多位于紫外区,对可见光的利用率较低。因此为了提高可见光的利用,需要设计并制备可见光下的高效光催化剂。卟啉组装体是一种光电性能优异的有机半导体材料,相较于传统的TiO_2等无机半导体材料,其吸收光谱位于可见光区,能更有效地利用太阳光,但反应中需Pt纳米颗粒作为助催化剂。为此本论文工作选择金纳米棒与卟啉进行复合,以期结合二者特点获得更高效的太阳能利用材料,并研究其光催化制氢机理。本论文内容主要从以下两个方面展开:1.通过酸碱中和/胶束限域自组装的方法,制备形貌规整的金纳米棒-卟啉核壳结构。以水分散性好的金纳米棒(GNRs)和具有光学活性的四吡啶基锌卟啉(ZnTPyP)为组装单元,通过调控GNRs长径比、乳化剂种类及浓度、体系pH值等反应参数来实现复合材料的可控制备。通过调控反应参数,利用由CTAB/NaOL包覆且长径比大于4的GNRs与ZnTPyP制备出了形貌规整、尺寸均一、单分散性好的复合结构。结合TEM等电镜观测及动态追踪实验,显示复合材料为卟啉自组装体包覆GNRs的核壳结构。对GNRs-ZnTPyP核壳结构进行晶型分析(XRD),结果显示核壳结构具有较好的晶格结构且堆积方式为六棱堆积。2.对GNRs-ZnTPyP核壳结构进行紫外-可见光谱表征、稳态荧光表征、瞬态荧光寿命测试及光电流测试分析,显示复合材料兼具GNRs与ZnTPyP的可见光响应,其在可见光区有很好的光吸收。光电流测试结果显示,GNRs-ZnTPyP核壳结构、ZnTPyP自组装体的光电流密度分别约为2.0μA/cm~2、0.8μA/cm~2,核壳结构约是自组装体的2.5倍。以抗坏血酸(AA)为电子供体,在pH≈5.0条件下,对不同催化剂体系进行了无Pt负载可见光催化产氢测试。相同条件下,GNRs-ZnTPyP核壳结构的产氢速率为37 mmol/g/h,是GNRs与ZnTPyP自组装体物理混合的15倍。对GNRs-ZnTPyP核壳结构进行不同波段的光催化分解水制氢测试,结果显示锌卟啉为主要的电子供体,GNRs表面等离激元共振的局域场作用及与卟啉之间的耦合作用能够提高光生电子-空穴的数量并促进分离和传输,最终增强光催化制氢效果。而GNRs自身产生的热电子也能够对卟啉起到一定活化作用增强催化性能。这几种效应彼此协同增强使得核壳结构具有较为优异的光催化制氢效果。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;O644.1
【部分图文】：

程示意图[8]：Ⅰ 载流子的形成；Ⅱ 载流子的复合；Ⅳ 价带空穴引发氧化途径；Ⅴ 活性氧物种的水解或产生的光生电子-空穴对具有强的还原和氧化，目前研究较多的有光解水产氢[9, 10]、光还原系列由活性氧物种（ROS）驱动的反应。光催化应用高的能量和环境友好性，被认为是潜在的能量和光电化学分离技术进行光解水制氢已成为人转向如何有效地利用太阳能并将其转化为化学分解水产生氢气，而氢气作为清洁能源又可用生产方式（图 1-2）[9]是对环境问题的适当关

过程示意图[8]：Ⅰ 载流子的形成；Ⅱ 载流子的复合；Ⅲ ；Ⅳ 价带空穴引发氧化途径；Ⅴ 活性氧物种的水解或反中所产生的光生电子-空穴对具有强的还原和氧化能力应，目前研究较多的有光解水产氢[9, 10]、光还原二等一系列由活性氧物种（ROS）驱动的反应。光光催化应用很高的能量和环境友好性，被认为是潜在的能量载化和光电化学分离技术进行光解水制氢已成为人们光转向如何有效地利用太阳能并将其转化为化学能化分解水产生氢气，而氢气作为清洁能源又可用于能源生产方式（图 1-2）[9]是对环境问题的适当关注

入的是 TiO2体系[16]。发展到现在，光响应位于紫外区要，因此人们设计并制备出了一系列具有高效、高稳定化剂，如金属-金属异质结、金属-半导体异质结、卟啉机-有机复合材料、量子点等体系。尽管有如此多的光 O2，但是由于传统的半导体材料的禁带宽度较大，它0 nm）。由于入射到地球表面近一半的太阳能位于可见-3，因此传统的半导体材料并不能很好的利用可见光，用率很低，因此如何有效地利用可见光高效地实现光的工作。
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本文编号：2869225