新型三元金属氮化物的制备及光解水制氢性能
发布时间：2021-03-03 21:58
化石燃料过度燃烧造成的污染及能源短缺问题已逐渐严重,人类急需寻找到一种绿色可再生的能源来取代不可再生的化石能源。氢能,被视为解决当前能源危机、全球变暖问题的重要可再生能源。在众多的制氢方法中,太阳能光催化分解水产氢技术一直被视为最理想的产氢方式。而光催化剂中,贵金属Pt基材料因具有良好的性能,逐步被人们关注。但是,贵金属材料的高价和稀有限制了它们的应用。因此,人们不断寻找可以代替贵金属的材料。过渡金属氮化物（TMNs）和Pt基金属具有很高的相似性,TMNs的相关研究在催化领域一直备受关注。本文成功合成了过渡金属氮化物Ni3FeN光催化剂,并将其应用于染料敏化光催化分解水产氢反应。设计制备Ni0.2Mo0.8N（Ni）三元氮化物,并将其负载到In2S3上,合成了 In2S3-Ni0.2Mo0.8N（Ni）复合材料,并将新材料应用于光催化分解水产氢。探究了 Ni0.2Mo0.8N（Ni）中Ni0.2Mo0.8N、Ni对复合材料光催化性能的影响。具体研究工作如下:（1）氧化-快速氮化法制备Ni3FeN,测试其染料敏化光催化析氢性能。实验结果说明,多孔三元Ni3FeN纳米立方体具备相对较好的析...
【文章来源】：辽宁师范大学辽宁省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体光催化分解水析氢机理示意图[7]
辽宁师范大学硕士学位论文-3-产氢助催化剂、电子牺牲剂（即电子给体）[9,10]。染料敏化光催化分解水析氢反应原理有以下几个基本过程，如图1.2所示[11]：首先，染料分子被光激发后，光生电子迅速从最高占据分子轨道（HOMO）跃迁到最低未占据分子轨道（LUMO）；然后，光生电子从染料的LUMO注入到半导体导带位置；之后，导带电子迁移到半导体表面，还原水产生氢气；最后，利用牺牲剂，使氧化态的染料分子获取到电子返回到基态，实现染料分子的再生循环。图1.2染料敏化半导体材料光催化分解水析氢原理[11]。Fig.1.2Mechanismofphotocatalyticreactionondye-sensitizedsemiconductor.除了上述反应外，染料敏化光解水制氢的过程中还伴有某些副反应。比如：染料分子被光激发后，光生电子没有传递给半导体，而是快速回到基态进行自身复合；除此，注入到半导体导带位置的电子还可以与氧化态的染料分子进行复合，进而降低光解水制氢效率；牺牲剂降解产物的富集也在一定程度上影响了光解水制氢的性能。因此，为了提高染料敏化光解水制氢的效率，在染料分子、敏化基质、产氢助催化剂、电子牺牲剂的选择上应有所要求。（1）染料：染料敏化的本质是太阳能、化学能之间的转化。而染料可以收集能量，为此，染料的选择对于反应本身而言十分重要，应满足以下几点：宽的光谱吸收范围，以便更加充分地利用太阳光；含有-OH等官能团，能够较牢固地与半导体表面结合；具有有利于能量传递的匹配能级；较好的光、热稳定性。满足以上要求的敏化剂主要包括金属有机配合物染料和不含金属的有机染料[10]。其中，不含金属的有机染料因为成本低、种类多而备受关注，主要有曙红（EY）、荧光素（FL）、罗丹明B（RhB）等[9,12]。（2）敏化基质：为了更好的将光生电子从染料的LUMO注
新型三元金属氮化物的制备及光解水制氢性能-6-1.4影响光催化剂制氢性能的因素1.4.1能带位置虽然半导体催化剂的种类繁多，但并不是所有材料都可以应用于光催化产氢。从理论上来说，半导体材料的导带位置决定了光生电子的还原能力，位置越高，表明还原能力越强。因此，还原电势在导带位置以下的材料才能够被还原；与之相反，价带位置则决定了光生空穴的氧化能力，价带位置越低，表明光生空穴的氧化能力越强。图1.3是部分常见半导体的禁带宽度（Eg）、导带（ECB）和价带（EVB）的位置以及H2和H2O的氧化还原电势[30]。在选择光解水产氢的光催化剂时需要符合，半导体的价带位置要比O2/H2O的电位更正，导带位置需要比H2/H2O的电位更负。并且为了更有效地利用太阳光能量，在选择半导体光解水产氢的催化剂时，半导体的带隙要尽可能的窄[31]。图1.3部分常见半导体的导带和价带位置以及H2和H2O的氧化还原电势[17]。Fig.1.3ConductionbandandvalencebandpositionofsomecommonsemiconductorsandredoxpotentialofH2andH2O.1.4.2光生电子-空穴的迁移与分离半导体光催化剂在光照过程中会产生光生电子-空穴，而光催化产氢正是利用此过程中产生的光生电子，使其与氢离子结合，进而产生氢气，但是，用于产氢的光生电子还可以与空穴进行复合，这在很大程度上影响了光催化的活性。因此，延缓光生电子-空穴的复合，对于提高半导体光催化剂产氢活性来说至关重要，通常可采用的方法有调控晶体结构、粒径尺寸等。煅烧温度或实验条件的改变均可以导致同一材料显示出不同的晶体结构，目前已经有很多报告说明了晶体结构会对半导体光催化剂产氢活性产生影响。以CdS为例，其存
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型光解水制氢催化剂及研究进展概述[J]. 郭芳林,黄俊华,郭瑛. 化学工程与装备. 2018(06)
[2]染料敏化可见光催化制氢研究进展[J]. 刘兴,李越湘,彭绍琴,赖华. 物理化学学报. 2015(04)
[3]太阳能光解水制氢催化剂研究进展[J]. 张建斌,查飞,左国防,唐慧安. 广东化工. 2011(10)
[4]氢能利用与制氢储氢技术研究现状[J]. 林才顺,魏浩杰. 节能与环保. 2010(02)
[5]染料敏化分解水制氢技术进展[J]. 倪萌,LEUNG MICHAEL K H,LEUNG DENNIS Y C. 电源技术. 2006(10)
[6]可见光响应光催化剂研究进展[J]. 陈崧哲,张彭义,祝万鹏,刘福东. 化学进展. 2004(04)
本文编号：3062002
【文章来源】：辽宁师范大学辽宁省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体光催化分解水析氢机理示意图[7]
辽宁师范大学硕士学位论文-3-产氢助催化剂、电子牺牲剂（即电子给体）[9,10]。染料敏化光催化分解水析氢反应原理有以下几个基本过程，如图1.2所示[11]：首先，染料分子被光激发后，光生电子迅速从最高占据分子轨道（HOMO）跃迁到最低未占据分子轨道（LUMO）；然后，光生电子从染料的LUMO注入到半导体导带位置；之后，导带电子迁移到半导体表面，还原水产生氢气；最后，利用牺牲剂，使氧化态的染料分子获取到电子返回到基态，实现染料分子的再生循环。图1.2染料敏化半导体材料光催化分解水析氢原理[11]。Fig.1.2Mechanismofphotocatalyticreactionondye-sensitizedsemiconductor.除了上述反应外，染料敏化光解水制氢的过程中还伴有某些副反应。比如：染料分子被光激发后，光生电子没有传递给半导体，而是快速回到基态进行自身复合；除此，注入到半导体导带位置的电子还可以与氧化态的染料分子进行复合，进而降低光解水制氢效率；牺牲剂降解产物的富集也在一定程度上影响了光解水制氢的性能。因此，为了提高染料敏化光解水制氢的效率，在染料分子、敏化基质、产氢助催化剂、电子牺牲剂的选择上应有所要求。（1）染料：染料敏化的本质是太阳能、化学能之间的转化。而染料可以收集能量，为此，染料的选择对于反应本身而言十分重要，应满足以下几点：宽的光谱吸收范围，以便更加充分地利用太阳光；含有-OH等官能团，能够较牢固地与半导体表面结合；具有有利于能量传递的匹配能级；较好的光、热稳定性。满足以上要求的敏化剂主要包括金属有机配合物染料和不含金属的有机染料[10]。其中，不含金属的有机染料因为成本低、种类多而备受关注，主要有曙红（EY）、荧光素（FL）、罗丹明B（RhB）等[9,12]。（2）敏化基质：为了更好的将光生电子从染料的LUMO注
新型三元金属氮化物的制备及光解水制氢性能-6-1.4影响光催化剂制氢性能的因素1.4.1能带位置虽然半导体催化剂的种类繁多，但并不是所有材料都可以应用于光催化产氢。从理论上来说，半导体材料的导带位置决定了光生电子的还原能力，位置越高，表明还原能力越强。因此，还原电势在导带位置以下的材料才能够被还原；与之相反，价带位置则决定了光生空穴的氧化能力，价带位置越低，表明光生空穴的氧化能力越强。图1.3是部分常见半导体的禁带宽度（Eg）、导带（ECB）和价带（EVB）的位置以及H2和H2O的氧化还原电势[30]。在选择光解水产氢的光催化剂时需要符合，半导体的价带位置要比O2/H2O的电位更正，导带位置需要比H2/H2O的电位更负。并且为了更有效地利用太阳光能量，在选择半导体光解水产氢的催化剂时，半导体的带隙要尽可能的窄[31]。图1.3部分常见半导体的导带和价带位置以及H2和H2O的氧化还原电势[17]。Fig.1.3ConductionbandandvalencebandpositionofsomecommonsemiconductorsandredoxpotentialofH2andH2O.1.4.2光生电子-空穴的迁移与分离半导体光催化剂在光照过程中会产生光生电子-空穴，而光催化产氢正是利用此过程中产生的光生电子，使其与氢离子结合，进而产生氢气，但是，用于产氢的光生电子还可以与空穴进行复合，这在很大程度上影响了光催化的活性。因此，延缓光生电子-空穴的复合，对于提高半导体光催化剂产氢活性来说至关重要，通常可采用的方法有调控晶体结构、粒径尺寸等。煅烧温度或实验条件的改变均可以导致同一材料显示出不同的晶体结构，目前已经有很多报告说明了晶体结构会对半导体光催化剂产氢活性产生影响。以CdS为例，其存
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型光解水制氢催化剂及研究进展概述[J]. 郭芳林,黄俊华,郭瑛. 化学工程与装备. 2018(06)
[2]染料敏化可见光催化制氢研究进展[J]. 刘兴,李越湘,彭绍琴,赖华. 物理化学学报. 2015(04)
[3]太阳能光解水制氢催化剂研究进展[J]. 张建斌,查飞,左国防,唐慧安. 广东化工. 2011(10)
[4]氢能利用与制氢储氢技术研究现状[J]. 林才顺,魏浩杰. 节能与环保. 2010(02)
[5]染料敏化分解水制氢技术进展[J]. 倪萌,LEUNG MICHAEL K H,LEUNG DENNIS Y C. 电源技术. 2006(10)
[6]可见光响应光催化剂研究进展[J]. 陈崧哲,张彭义,祝万鹏,刘福东. 化学进展. 2004(04)
本文编号：3062002
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