Cu 2-x Se基复合光催化体系的构建及光催化产氢性能研究
发布时间：2022-01-23 19:39
近年来,由于日益严重的环境问题和能源短缺问题,绿色可持续发展已经引起人们的广泛关注。氢能源是一种清洁的可再生能源,对解决上述问题至关重要。利用太阳能进行光催化分解水产氢是制备氢气的一种新型绿色技术。然而,传统的半导体光催化剂（如Ti O2、Zn O、Cd S）因其禁带宽度较大仅对紫外光有响应（约占太阳能的4%）或化学稳定性较差,严重阻碍了光催化技术的发展。目前,探索高效可见光半导体光催化剂已经成为光催化领域研究的热点。硒化铜(Cu2-xSe)是一种p型半导体,晶型为立方晶系,带隙为1.4 e V-2.2 e V,因其具有优异的可见光捕获能力及迅速的光电响应性能,在光催化领域具有广阔的应用前景。本文首次以Cu2-xSe为主要研究对象,筛选出单体Cu2-xSe的最佳制备条件以及分别构建了Cu2-xSe/rGO和Cu2-xSe/g-C3N4两个异质结体系,并对各体系的微观结构、光电性能、光催化性能进行考察,深入分析了其...
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化反应原理示意图
西北大学硕士学位论文8图1-2(a)type-I、(b)type-II、（c）type-III和（d）p-n异质结在光催化过程中的电子传输机理示意图[69]Fig.1-2Schematicillustrationoftheelectronictransportmechanismin(a)type-I,(b)type-II,(c)type-IIIheterojunctions,and(d)p-nheterojunctionphotocatalystinphotocatalyticprocess[69]（2）S型半导体异质结在type-II型异质结的界面上，光生电子将从具有较高导带（CB）的半导体转移到具有较低CB的半导体，而光生空穴则从有较低的价带（VB）转到较高的VB上，如图1-3所示。在传统的II型异质结中，界面电荷转移大大降低了光生电子和空穴的氧化还原能力，这种电荷转移机理在热力学上不利于氧化还原反应的进行。此外，由于库仑静电排斥力的存在，PCII的导带上的电子很难转移到PCI上。另外，PCII也存在电子和空穴的库伦引力，这也阻碍了电子的转移。同样，PCI的VB上的空穴也不容易转移到PCII。因此，type-II型异质结在热力学和动力学上具有明显的局限性。为了克服上述缺点，近年来科研人员提出构建S-型半导体异质结[72]，其主要由两种n型半导体光催化剂组成，PCⅠ和PCII分别代表氧化光催化剂和还原光催化剂。在光的照射下，半导体PCI和PCII的VB上的电子被激发跃迁至其导带上。S型异质结中光生电子的转移更像是“台阶”（宏观观点）或“N”（微观观点）。电子和空穴在空间上分离，分别位于PCII的CB和PCI的VB中。电荷载流子转移的驱动力主要来自于PCI与PCII之间的内部电场，通常氧化光催化剂PCI具有较大的功函数和较低的费米能级，而还原光催化剂PCII的功函数较小，费米能级较高。当PCI
咏?ü??堑慕缑孀?频絇CI。在S型异质结中，PCI的CB中相对无用的电子和PCII的VB中的相对无用的空穴在界面上被重组和消除。相反，由于内部电场的存在，在PCI的VB中保留有用的空穴，在CB中保留有用的电子。Fu等人[72]采用静电自组装技术成功制备了2D/2DWO3/g-C3N4S型异质结光催化剂，实验表明15%WO3/g-C3N4复合样品具有最高的光催化产氢活性（982μmol·g-1·h-1），相比于单体g-C3N4和WO3，其产氢速率显著提高，提升的光催化性能主要归因于构建的S型异质结使相对无用电子和空穴快速复合，但阻碍了有用电子和空穴的复合。图1-3传统type-II型（a）和Z（b）型载流子转移示意图[72]Fig.1-3Theschematicdiagramsofchargetransferinconventionaltype-IIheterojunction(a)andS-schemeheterojunction(b)[72]1.4.4构建半导体同质结目前，半导体-半导体异质结研究最多（例如MoS2/RGO、TiO2/g-C3N4、Ag3PO4/BiVO4等[73,74]），被文献广泛报道。然而，构建半导体异质结需要考虑多种因素的影响，因此，开发和设计高效的异质结复合光催化剂一直是科研工作者面临的巨大挑战。目前，研究发现在同种半导体之间构建同质结是增强光催化剂活性的有效策略。同质结的优点为：①两个半导体的能带结构相似，两相界面间能带差小，能量损失少；②两个半导体晶格参数接近，界面处缺陷减少，从而加速光生载流子的转移[75,76]。目前，科研工作者已经成功制备出金属/金属同质结、半导体/半导体同质结。Wang等人[77]报道采用简单有效的煅烧方法成功制备出锐钛矿/金红石TiO2同质结。实验结果分析表明，锐钛矿/金红石（11.6wt%）TiO2同质结具有最优的RhB降解率和光催化产氢速率，这归因于在金红石与锐钛矿界面处形成表面相直接接触的结，并且两相之间存
【参考文献】：
期刊论文
[1]经晶面调控的TiO2/碳纳米纤维复合物光催化还原CO2的实验研究[J]. 冯晓鸣,雷泽,熊卓,赵永椿. 广东电力. 2018(10)
[2]利用Ni（OH）x助催化剂修饰提高g-C3N4纳米片/WO3纳米棒Z型纳米体系的可见光产氢活性的研究（英文）[J]. 何科林,谢君,罗杏宜,温九青,马松,李鑫,方岳平,张向超. 催化学报. 2017(02)
[3]光催化还原CO2的研究现状和发展前景[J]. 吴聪萍,周勇,邹志刚. 催化学报. 2011(10)
[4]光催化选择性氧化还原体系在有机合成中的研究进展[J]. 张楠,张燕辉,潘晓阳,付贤智,徐艺军. 中国科学:化学. 2011(07)
[5]城市水污染防治策略[J]. 李玉中,王海燕. 河南水利与南水北调. 2008(11)
[6]世界能源的未来[J]. 朱成章. 中国电力. 2003(09)
硕士论文
[1]In2Se3基复合光催化体系的构建及催化性能研究[D]. 王瑞苗.西北大学 2019
本文编号：3605028
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化反应原理示意图
西北大学硕士学位论文8图1-2(a)type-I、(b)type-II、（c）type-III和（d）p-n异质结在光催化过程中的电子传输机理示意图[69]Fig.1-2Schematicillustrationoftheelectronictransportmechanismin(a)type-I,(b)type-II,(c)type-IIIheterojunctions,and(d)p-nheterojunctionphotocatalystinphotocatalyticprocess[69]（2）S型半导体异质结在type-II型异质结的界面上，光生电子将从具有较高导带（CB）的半导体转移到具有较低CB的半导体，而光生空穴则从有较低的价带（VB）转到较高的VB上，如图1-3所示。在传统的II型异质结中，界面电荷转移大大降低了光生电子和空穴的氧化还原能力，这种电荷转移机理在热力学上不利于氧化还原反应的进行。此外，由于库仑静电排斥力的存在，PCII的导带上的电子很难转移到PCI上。另外，PCII也存在电子和空穴的库伦引力，这也阻碍了电子的转移。同样，PCI的VB上的空穴也不容易转移到PCII。因此，type-II型异质结在热力学和动力学上具有明显的局限性。为了克服上述缺点，近年来科研人员提出构建S-型半导体异质结[72]，其主要由两种n型半导体光催化剂组成，PCⅠ和PCII分别代表氧化光催化剂和还原光催化剂。在光的照射下，半导体PCI和PCII的VB上的电子被激发跃迁至其导带上。S型异质结中光生电子的转移更像是“台阶”（宏观观点）或“N”（微观观点）。电子和空穴在空间上分离，分别位于PCII的CB和PCI的VB中。电荷载流子转移的驱动力主要来自于PCI与PCII之间的内部电场，通常氧化光催化剂PCI具有较大的功函数和较低的费米能级，而还原光催化剂PCII的功函数较小，费米能级较高。当PCI
咏?ü??堑慕缑孀?频絇CI。在S型异质结中，PCI的CB中相对无用的电子和PCII的VB中的相对无用的空穴在界面上被重组和消除。相反，由于内部电场的存在，在PCI的VB中保留有用的空穴，在CB中保留有用的电子。Fu等人[72]采用静电自组装技术成功制备了2D/2DWO3/g-C3N4S型异质结光催化剂，实验表明15%WO3/g-C3N4复合样品具有最高的光催化产氢活性（982μmol·g-1·h-1），相比于单体g-C3N4和WO3，其产氢速率显著提高，提升的光催化性能主要归因于构建的S型异质结使相对无用电子和空穴快速复合，但阻碍了有用电子和空穴的复合。图1-3传统type-II型（a）和Z（b）型载流子转移示意图[72]Fig.1-3Theschematicdiagramsofchargetransferinconventionaltype-IIheterojunction(a)andS-schemeheterojunction(b)[72]1.4.4构建半导体同质结目前，半导体-半导体异质结研究最多（例如MoS2/RGO、TiO2/g-C3N4、Ag3PO4/BiVO4等[73,74]），被文献广泛报道。然而，构建半导体异质结需要考虑多种因素的影响，因此，开发和设计高效的异质结复合光催化剂一直是科研工作者面临的巨大挑战。目前，研究发现在同种半导体之间构建同质结是增强光催化剂活性的有效策略。同质结的优点为：①两个半导体的能带结构相似，两相界面间能带差小，能量损失少；②两个半导体晶格参数接近，界面处缺陷减少，从而加速光生载流子的转移[75,76]。目前，科研工作者已经成功制备出金属/金属同质结、半导体/半导体同质结。Wang等人[77]报道采用简单有效的煅烧方法成功制备出锐钛矿/金红石TiO2同质结。实验结果分析表明，锐钛矿/金红石（11.6wt%）TiO2同质结具有最优的RhB降解率和光催化产氢速率，这归因于在金红石与锐钛矿界面处形成表面相直接接触的结，并且两相之间存
【参考文献】：
期刊论文
[1]经晶面调控的TiO2/碳纳米纤维复合物光催化还原CO2的实验研究[J]. 冯晓鸣,雷泽,熊卓,赵永椿. 广东电力. 2018(10)
[2]利用Ni（OH）x助催化剂修饰提高g-C3N4纳米片/WO3纳米棒Z型纳米体系的可见光产氢活性的研究（英文）[J]. 何科林,谢君,罗杏宜,温九青,马松,李鑫,方岳平,张向超. 催化学报. 2017(02)
[3]光催化还原CO2的研究现状和发展前景[J]. 吴聪萍,周勇,邹志刚. 催化学报. 2011(10)
[4]光催化选择性氧化还原体系在有机合成中的研究进展[J]. 张楠,张燕辉,潘晓阳,付贤智,徐艺军. 中国科学:化学. 2011(07)
[5]城市水污染防治策略[J]. 李玉中,王海燕. 河南水利与南水北调. 2008(11)
[6]世界能源的未来[J]. 朱成章. 中国电力. 2003(09)
硕士论文
[1]In2Se3基复合光催化体系的构建及催化性能研究[D]. 王瑞苗.西北大学 2019
本文编号：3605028
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