Co（Ni）/碳氮化物复合材料催化解水制氢性能的调控机制
发布时间：2021-06-21 05:16
清洁能源的高效开发利用和存储是解决能源危机问题的有效方式。氢气是单位质量内能量最高的能源材料,氢能的高效制备方式近年来引起了广泛关注。利用太阳能和电能分解水制备氢气是目前制备氢能的两种重要方法。作为新兴的非金属光/电催化剂,碳氮化物以其绿色、来源丰富以及优异的性能在光催化或者电催化领域备受到研究人员的广泛关注,而其中g-C3N4和氮掺杂碳（N/C）备受青睐。然而g-C3N4比表面积低、光生载流子易复合以及导电性差等本身存在的缺陷严重阻碍该材料的光催化分解水产氢性能;N/C虽然导电性良好且活性位点丰富,是N/C的氢吸附吉布斯自由能较弱,导致对氢元素的吸附能力较差,其电催化析氢性能仍有待提升。为此,本文引入过渡金属元素（Co,Ni）对碳氮化物进行修饰,提高材料的催化活性。系统表征材料的形貌、结构和析氢性能。相关研究结果如下:（1）采用水热方式合成有机-无机杂化前驱体,热处理过程中生成原位钴掺杂的管状g-C3N4（Co-CN）。研究发现最佳掺杂比例样品的光催化产...
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化机理示意图
1.2.2 影响光催化反应活性的因素如图1.2所示,光催化反应主要可以分为5个步骤:(1)半导体吸收光子,(2)产生光生电子-空穴对,(3)电子-空穴对的迁移与复合,(4)反应物的吸附与产物的解吸附和(5)在半导体表面分别进行氧化还原反应[11]。因此,从以上光催化反应的五个步骤来说,提升光催化活性可以从以下几个方面入手:选择合适带隙的半导体材料,禁带宽度过宽,则需要消耗更多的光子才能激发电子跃迁;而禁带宽度过窄,光生载流子较易复合。且从热力学方面考虑,半导体的禁带宽度至少需要大于1.23 eV才能有效实现水的分解。另外,促进光生载流子的分离,通过改性手段抑制光生载流子的复合,可以有效提升光催化效率。最后,增加光半导体与反应物的接触面积,也是不失为一种行之有效的手段。
(1)构筑纳米结构通过控制g-C3N4的形貌结构来获得优异的光催化性能一直是g-C3N4光催化材料研究领域的热门方向。目前报道出来的不同形貌g-C3N4主要有多孔状g-C3N4[14]、纳米管状g-C3N4[15]、纳米线状g-C3N4[16]、空心球状g-C3N4[17]、纳米片状g-C3N4[18]等。多孔结构的g-C3N4由于具有比较大的比表面积,可以提供比较多的反应位点,从而表现出比原始g-C3N4更强的光催化活性。对多孔g-C3N4的光催化性能研究表明,多孔结构可以显著提高g-C3N4的光催化性能,例如在光解水制氢以及光催化降解有机污染物等方面,其效率明显高于块状g-C3N4。多孔g-C3N4光催化活性高的原因主要是它拥有大的比表面积、均匀的孔径分布等众多块状g-C3N4无法比拟的优点。如Guo等人制备的磷掺杂管状结构g-C3N4,是由纳米片层组成的微米管结构,这种独特的微-纳米结构有效促进了光生载流子的分离,显著提升了样品的光催化析氢性能[13]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]钾离子掺杂对石墨型氮化碳光催化剂能带结构及光催化性能的影响[J]. 张健,王彦娟,胡绍争. 物理化学学报. 2015(01)
博士论文
[1]基于钴纳米晶的高性能电化学催化剂的制备及电解水性能的研究[D]. 刘炳瑞.中国科学技术大学 2017
硕士论文
[1]杂原子掺杂碳基纳米材料的制备及其光/电催化性能研究[D]. 毛永.安徽大学 2018
[2]钴基复合材料的合成及其电催化析氢研究[D]. 刘永康.湖南大学 2018
[3]以Ag为电极的电催化还原CO2性能研究[D]. 罗金.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3240054
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化机理示意图
1.2.2 影响光催化反应活性的因素如图1.2所示,光催化反应主要可以分为5个步骤:(1)半导体吸收光子,(2)产生光生电子-空穴对,(3)电子-空穴对的迁移与复合,(4)反应物的吸附与产物的解吸附和(5)在半导体表面分别进行氧化还原反应[11]。因此,从以上光催化反应的五个步骤来说,提升光催化活性可以从以下几个方面入手:选择合适带隙的半导体材料,禁带宽度过宽,则需要消耗更多的光子才能激发电子跃迁;而禁带宽度过窄,光生载流子较易复合。且从热力学方面考虑,半导体的禁带宽度至少需要大于1.23 eV才能有效实现水的分解。另外,促进光生载流子的分离,通过改性手段抑制光生载流子的复合,可以有效提升光催化效率。最后,增加光半导体与反应物的接触面积,也是不失为一种行之有效的手段。
(1)构筑纳米结构通过控制g-C3N4的形貌结构来获得优异的光催化性能一直是g-C3N4光催化材料研究领域的热门方向。目前报道出来的不同形貌g-C3N4主要有多孔状g-C3N4[14]、纳米管状g-C3N4[15]、纳米线状g-C3N4[16]、空心球状g-C3N4[17]、纳米片状g-C3N4[18]等。多孔结构的g-C3N4由于具有比较大的比表面积,可以提供比较多的反应位点,从而表现出比原始g-C3N4更强的光催化活性。对多孔g-C3N4的光催化性能研究表明,多孔结构可以显著提高g-C3N4的光催化性能,例如在光解水制氢以及光催化降解有机污染物等方面,其效率明显高于块状g-C3N4。多孔g-C3N4光催化活性高的原因主要是它拥有大的比表面积、均匀的孔径分布等众多块状g-C3N4无法比拟的优点。如Guo等人制备的磷掺杂管状结构g-C3N4,是由纳米片层组成的微米管结构,这种独特的微-纳米结构有效促进了光生载流子的分离,显著提升了样品的光催化析氢性能[13]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]钾离子掺杂对石墨型氮化碳光催化剂能带结构及光催化性能的影响[J]. 张健,王彦娟,胡绍争. 物理化学学报. 2015(01)
博士论文
[1]基于钴纳米晶的高性能电化学催化剂的制备及电解水性能的研究[D]. 刘炳瑞.中国科学技术大学 2017
硕士论文
[1]杂原子掺杂碳基纳米材料的制备及其光/电催化性能研究[D]. 毛永.安徽大学 2018
[2]钴基复合材料的合成及其电催化析氢研究[D]. 刘永康.湖南大学 2018
[3]以Ag为电极的电催化还原CO2性能研究[D]. 罗金.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3240054
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