有机染料共价功能化石墨烯的合成及其光催化产氢性能研究

发布时间：2017-07-06 19:26

  本文关键词：有机染料共价功能化石墨烯的合成及其光催化产氢性能研究

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【摘要】：环境恶化和能源短缺是制约人类可持续发展的两大问题,将太阳能转化为化学能是解决环境和能源问题的有效手段。光催化分解水制备氢气是将储量丰富的太阳能和水在光催化剂的作用下产生清洁、高效、环境友好的氢气,这可以实现对太阳能的有效转化。本论文首先以石墨烯为基底,合成了锰酞菁(MnPcCl)共价功能化石墨烯,双(异硫氰基)双(2,2-联吡啶基-4,4'-二羧基)钌(II))(N3)共价功能化石墨烯两种石墨烯基纳米复合物;此外制备了N3敏化的氯氧铋复合催化剂,并系统的研究了所制备催化剂的结构及光催化性能。主要工作内容如下:(1)我们通过1,3偶极环加成反应和Williamson反应两步合成了锰酞菁共价功能化石墨烯(MnPcG),然后通过光沉积将铂纳米粒子作为助催化剂负载在MnPcG上,得到MnPcG/Pt光催化剂。通过原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、红外光谱、紫外可见光谱、光电流、荧光光谱等方法对所制备的催化剂的结构和光电性质进行表征。实验结果表明锰酞菁共价连接到了石墨烯的表面。其荧光猝灭效率和显著提高的光电流表明MnPcG具有优异的光电性质,说明了酞菁分子与石墨烯之间能够发生高效的电子转移。与石墨烯相比,MnPcG催化剂的催化产氢性能得到很大的提高。该催化剂在紫外可见和可见光照射下表现出了较强的光催化产氢性能,在10 h光照下,氢气产量达到8.59和1.45μmol mg-1。金属酞菁共价功能化石墨烯可以作为利用太阳能光催化产氢的高效催化剂。(2)通过叠氮化反应制备了苯胺基功能化的石墨烯,然后利用苯胺基与N3的羧基进行酰胺缩合反应制备了N3共价修饰的石墨烯纳米复合物(N3-RGO)。通过透射电镜、扫描电镜、红外光谱、拉曼光谱、X光电子能谱、荧光光谱及紫外可见光谱等方法对所制备的复合物结构进行表征。高效的荧光淬灭率和显著提高的光电流说明了N3染料分子与石墨烯之间能够发生高效的光生电子转移并且抑制了电子空穴对的复合率。我们通过光沉积法将助催化剂铂纳米粒子负载在石墨烯表面,制备了铂纳米粒子修饰的N3共价功能化的石墨烯光催化剂(N3-RGO/Pt)。该催化剂在紫外可见和可见光照射下表现出了较强的光催化产氢性能,在7 h光照下,氢气产量达到11.25和1.78μmol mg-1。我们还研究了该催化剂的稳定性,结果表明其稳定性较好。此项工作为利用太阳能构建石墨烯基复合催化剂的制备提供了新的思路。(3)铋氧氯(BiOCl)是一种带隙比较宽的半导体(3.2 eV),这很大程度地限制了其在可见光光照下的应用。我们用水热法制备了BiOCl半导体,通过超声法将染料分子N3与Bi OCl半导体结合起来形成复合物。并通过X-射线粉末衍射、透射电镜等方法对制备的复合物进行表征,并研究了其光催化性能。在6 h紫外可见光照射下,BiOCl和BiOCl-N3产氢量分别为51.5μmol·g-1和85.5μmol·g-1。N3分子作为捕光天线,可以有效地吸收入射光并将电子有效的传递到Bi OCl半导体。
【关键词】：有机染料 石墨烯 功能化 共价 光催化
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-38
• 1.1 引言10-11
• 1.2 光催化分解水产氢基本原理11-13
• 1.2.1 光催化产氢的基本机制11-12
• 1.2.2 光催化产氢的主要过程12-13
• 1.3 光催化分解水的评估13-14
• 1.3.1 光催化剂的催化活性13-14
• 1.3.2 光催化剂的稳定性14
• 1.4 染料敏化半导体的染料类型14-18
• 1.4.1 金属钌配合物15
• 1.4.2 金属酞菁/卟啉及其衍生物15-17
• 1.4.3 无金属有机染料17-18
• 1.5 石墨烯的结构、性质及其制备18-21
• 1.5.1 石墨烯的结构18-19
• 1.5.2 石墨烯的性质19
• 1.5.3 石墨烯的制备19-21
• 1.6 石墨烯的功能化21-25
• 1.6.1 有机分子共价功能化石墨烯22-23
• 1.6.2 有机分子非共价功能化石墨烯23-24
• 1.6.3 对石墨烯进行化学掺杂24-25
• 1.6.4 纳米粒子对石墨烯的功能化25
• 1.7 功能化石墨烯在光催化中的应用25-28
• 1.8 本课题研究背景及内容28-30
• 参考文献30-38
• 第二章 锰酞菁共价功能化石墨烯的制备以及其光催化性能研究38-60
• 2.1 引言38-39
• 2.2 实验部分39-43
• 2.2.1 试剂39
• 2.2.2 合成39-40
• 2.2.3 样品的表征40-41
• 2.2.4 光电化学的测试41
• 2.2.5 光催化反应41-43
• 2.3 结果分析与讨论43-52
• 2.3.1 形态与结构分析43-46
• 2.3.2 光学与光电性质研究46-49
• 2.3.3 光催化分解水制氢性能研究49-52
• 2.4 本章小结52-54
• 参考文献54-60
• 第三章 钌配合物N3染料共价功能化石墨烯光催化剂的制备及其光催化性能研究60-82
• 3.1 引言60-61
• 3.2 实验部分61-65
• 3.2.1 实验试剂及材料61
• 3.2.2 合成61-63
• 3.2.3 样品的表征63
• 3.2.4 光电化学测试63
• 3.2.5 光催化反应63-65
• 3.3 实验结果分析与讨论65-75
• 3.3.1 形态与结构表征65-69
• 3.3.2 光电性质表征69-73
• 3.3.3 光催化分解水产氢性能研究73-75
• 3.4 本章小结75-76
• 参考文献76-82
• 第四章 钌配合物N3染料敏化Bi OCl半导体催化剂的制备及其光催化产氢性能研究82-89
• 4.1 引言82-83
• 4.2 实验部分83-84
• 4.2.1 实验试剂及材料83
• 4.2.2 合成83
• 4.2.3 样品的表征83
• 4.2.4 光催化反应83-84
• 4.3 结果与讨论84-86
• 4.3.1 形貌与结构84-85
• 4.3.2 光催化产氢性能研究85-86
• 4.4 本章小结86-87
• 参考文献87-89
• 结论89-90
• 攻读硕士学位期间已发表的学术论文90-91
• 致谢91-92

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