太西煤基W-WC的合成及其在光催化产氢中的应用研究
发布时间：2020-04-02 14:33
【摘要】：光催化产氢是解决能源危机和环境问题的理想途径,助催化剂是影响光催化产氢的重要因素,因此,开发高效廉价的助催化剂具有重要的意义。太西煤是全国之冠的优质煤,若将太西煤作为碳源合成碳化物类助催化剂,将有效地降低光催化成本,提高太西煤的附加值。本论文结合宁夏当地丰富的煤炭资源特点,设计了一条以太西煤基作为碳源通过一步锻烧法直接合成W-WC复合物的方法,并将W-WC复合物作为产氢助催化剂与CdS复合应用在光催化分解水产氢实验中,且对W-WC/CdS复合光催化剂的产氢机理进行了研究。首先,我们以四种不同的煤种作为碳源,研究了煤基碳源制备W-WC复合物的工艺条件,通过对比不同碳源的灰分、不同钨碳的质量比、不同煅烧温度、不同锻烧时间下合成的产物,确定其最优条件是:最优碳源是太西煤,合适的钨碳质量比是0.725:1,生成W-WC复合物的温度范围是1000 ℃到1200℃之间和最短时间3小时。发现钨源和碳源在高温煅烧过程中的反应过程是:WO3 → WO2 → W → W2C → WC。其次,我们采用共沉淀法将太西煤基合成的W-WC复合物与CdS复合,并研究了 W-WC/CdS的光催化产氢性能。发现W-WC是一种有效的光催化产氢非贵金属助催化剂,其催化性能不仅比单纯的W和单纯的WC更高,甚至比贵金属Pt更优。以在最优煅烧温度1000℃下合成的W-WC为助催化剂,在最优担载量为8%时,W-WC/CdS的光催化产氢活性最高,达331.4μmol·h-1,是单纯 CdS 的 17.4 倍,是 Pt/CdS 的 2.6倍。最后,通过(光)电化学性能测试研究了W-WC的助催化剂性质和W-WC/CdS的光催化产氢机理。通过循环伏安,恒电流充放电实验发现了 WC具有最大的比电容(Cw=9.13F/g、Cw.wc=14.33F/g、Cwc=28.04F/g),说明WC具有最佳的储存电子的性能。通过线性伏安扫描实验发现W-WC具有最高的产氢催化能力,其次是W,再次是WC(在阴极电流密度为-30 mA/cm2时,W-WC、W、WC的活性电位分别为-1.327 V、-1.366 V、-1.375V)。通过电化学阻抗实验发现W和W-WC的电化学阻抗曲线的半径几乎相等,说明W-WC具有与W同样小的电阻值,而WC的电化学阻抗曲线的半径比另两种材料大很多,说明WC的电阻最大(W-WC、W、WC的曲线拐点横坐标分别为14.16Ω/cm2、13.46Ω/cm2、18.92Ω/cm2)。通过光电流实验发现W-WC具有最强的光电流(W-WC的电流密度为15.87μA/cm2)。高分辨电镜表征发现W-WC形成了异质结。以上实验说明W-WC具有高的光催化产氢性能的原因是:W-WC不仅拥有类似于W较高的催化产氢能力,同时具备了类似于WC较高的储存电子能力,并且W-WC具备较小的电阻,以方便光生电子的传输。W-WC/CdS的光催化产氢机理是:在光照条件下CdS的光生电子转移到W-WC上,在W-WC上发生光催化产氢反应,CdS表面发生光催化氧化反应。W-WC中的不同组分在光催化产氢中起不同的作用,通过W-WC中形成的异质结,在W中的光生电子可以向WC转移,WC具有储存电子性能且表面主要发生催化产氢(抑制了 CdS中光生电子的复合),W主要起传输电子的作用,最终W-WC/CdS的光催化产氢得到大幅度提高。
【图文】：
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本文编号：2612079
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