新型含磷复合光催化剂的制备及其可见光催化分解水制氢性能

发布时间：2017-08-19 22:24

  本文关键词：新型含磷复合光催化剂的制备及其可见光催化分解水制氢性能

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【摘要】：氢能是一种清洁的绿色能源,它被视为是具有分散性和间断性双重性能的太阳能最理想的能源载体。寻求高效、低廉和便捷地将太阳能转化为氢能的技术是一项极具挑战又有重大战略意义的工作。利用半导体光催化分解水制氢被视为解决当今世界能源危机和环境污染最理想的方法之一,具有巨大的研究价值和应用潜能。红磷,作为一种单质半导体,其光吸收范围广,在常温常压下稳定且无毒,是一种优良的可见光光催化剂,但其催化活性和稳定性有待提升。本文将红磷和TiO_2复合制备出P-TiO_2复合催化剂,将红磷和CdS复合制备出P-CdS复合光催化剂,考察了催化剂的产氢活性,表征分析了催化剂的光学性质和形貌结构等,并提出了相应的产氢作用机理,主要工作内容和结论如下:(1)以工业产品红磷和P25为实验原料,采用机械混合法制备P-TiO_2复合催化剂,采用XRD、TEM和UV-Vis表征技术对其晶型、形貌和光学性质进行了测试分析,详细考察了不同TiO_2添加量下红磷的产氢活性,实验结果表明:当TiO_2质量分数为5%时,P-TiO_2光催化剂的产氢活性最高达到52.6μmol·h-1·g-1,大约是纯红磷样品的2.54倍。内在的作用机理需进一步的研究和探讨。(2)以红磷、乙酸镉、硫化钠、氢氧化钠、硫脲等为原料,采用沉淀法和水热法分别制备P-CdS复合光催化剂,结合XRD、TEM、XPS、BET、UV-Vis等表征手段对不同组分光催化剂的晶型、形貌、比表面积、孔体积、吸收光谱范围等进行测试表征,研究制备方法及红磷加入量对CdS催化剂光催化分解水产氢活性的影响,并探讨了P-CdS光催化分解水制氢的作用机理。结果表明:水热法制备的CdS呈六方相,沉淀法制备的CdS呈立方相,六方相的产氢性能较好,而对于复合催化剂,呈立方相的P-CdS产氢性能反而更好。在300W氙灯(λ≥400 nm)照射下,以Na2S/Na2SO3为牺牲试剂,Pt做助催化剂,当P的添加量为10 mol%时,光催化产氢活性最高,产氢速率达到923μmol·h-1·g-1,是纯CdS样品的2.53倍。P-CdS光催化剂的电荷转移机制:在可见光照射下,CdS和P均被激发,光生电子从价带跃迁至空的导带,剩余的空穴留在价带,由于CdS的导带电势较红磷的导带电势更负,所以光生电子从CdS的导带转移到红磷的导带上,随后电子在Pt的表面聚集并参与H+还原反应生成氢气;同时,因为红磷的价带电势较CdS价带更正,由此光生空穴从红磷价带转移至CdS价带,并与牺牲剂发生氧化反应,由此提高了光生电子-空穴对的分离效率,延长了它们的寿命。
【关键词】：光催化制氢 红磷 TiO_2 CdS 复合催化剂
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2;O643.36
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12-13
• 1.2 半导体光催化分解水制氢概述13-16
• 1.2.1 半导体光催化分解水制氢的基本原理13-14
• 1.2.2 半导体光催化分解水制氢技术14-16
• 1.2.2.1 光电化学分解水制氢14-15
• 1.2.2.2 半导体悬浮体系光催化分解水制氢15-16
• 1.3 半导体光催化分解水制氢的影响因素16-19
• 1.3.1 半导体的颗粒尺寸16
• 1.3.2 pH值16-17
• 1.3.3 牺牲试剂17-18
• 1.3.4 助催化剂18-19
• 1.4 半导体光催化分解水制氢材料的研究进展19-23
• 1.4.1 TiO_2-基光催化体系及改性19-21
• 1.4.1.1 TiO_2的简介19-20
• 1.4.1.2 TiO_2-基光催化剂的改性20-21
• 1.4.2 CdS-基光催化体系21-22
• 1.4.3 新型可见光光催化体系22-23
• 1.5 本课题的选题依据和研究内容23-24
• 第二章 实验部分24-31
• 2.1 化学试剂及实验仪器24-25
• 2.1.1 化学试剂24-25
• 2.1.2 实验仪器25
• 2.2 光催化剂的制备25-26
• 2.3 光催化分解水产氢性能评价26-28
• 2.3.1 光催化分解水产氢性能评价装置26-27
• 2.3.2 产氢量计算公式27-28
• 2.4 催化剂表征28-31
• 2.4.1 X-射线粉末衍射分析（XRD）28
• 2.4.2 透射电子显微镜分析（TEM）28-29
• 2.4.3 低温氮气吸脱附（BET）29
• 2.4.4 X-射线光电子能谱分析（XPS）29
• 2.4.5 固体紫外-可见漫反射吸收光谱分析（UV-Vis/DRS）29-30
• 2.4.6 光致发光光谱分析（PL）30-31
• 第三章 红磷-TiO_2复合光催化剂的制备及其产氢性能研究31-38
• 3.1 引言31
• 3.2 实验部分31-32
• 3.2.1 红磷-TiO_2复合光催化剂的制备31-32
• 3.2.2 催化剂产氢性能评价32
• 3.3 结果与讨论32-37
• 3.3.1 晶型分析32-33
• 3.3.2 形貌表征33-34
• 3.3.3 紫外-可见漫反射光谱分析34-35
• 3.3.4 光催化产氢活性测试35-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第四章P-CdS复合光催化剂的制备与产氢性能研究38-54
• 4.1 引言38
• 4.2 实验部分38-41
• 4.2.1 P-CdS复合光催化剂的制备38-40
• 4.2.2 催化剂产氢活性及稳定性评价40-41
• 4.3 结果与讨论41-52
• 4.3.1 制备方法对P-CdS光催化剂产氢性能影响41-43
• 4.3.2 P的添加量对CdS光催化产氢性能影响43-52
• 4.3.2.1 晶型分析43-44
• 4.3.2.2 形貌表征44
• 4.3.2.3 光电子能谱分析44-46
• 4.3.2.4 比表面积和孔径分布46-47
• 4.3.2.5 紫外-可见漫反射光谱分析47-48
• 4.3.2.6 荧光光谱分析48-49
• 4.3.2.7 光催化产氢活性测试49-51
• 4.3.2.8 光催化产氢稳定性测试51
• 4.3.2.9 P-CdS反应机理探讨51-52
• 4.4 本章小结52-54
• 结论与展望54-56
• 参考文献56-71
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果71-72
• 致谢72-73
• 附件73

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4 徐W，

本文编号：703301