硫属二维层状材料的制备及其在光催化分解水中的应用
发布时间：2021-07-08 19:54
利用太阳光将水催化分解产生氢气是一项有前景的研究。与氧化物相比,硫化物的带隙普遍较小,有利于可见光的吸收;一些硫化物具有层状结构,可以形成二维甚至原子级薄层,产生尺寸效应,从而增大比表面积,暴露大量边缘,增强载流子分离效率,这使其有望成为优良的光催化析氢材料。本文研究了多种硫属二维层状材料的制备,并通过结构设计和能带调控来改善其光催化分解水析氢性能,主要内容如下:（1）SnS2纳米片体系:以溶剂热法合成超薄SnS2纳米片;以葡萄糖裂解法在纳米片上负载C量子点,从而将催化析氧性能提升了 10倍;以水热法在纳米片上依次合成Ce2S3纳米带和CeO2纳米颗粒,形成三层异质结,该结构展现了优异的从深紫外到红外光的全光谱吸收和稳定的催化析氢性能。（2）WS2纳米管体系:以化学气相沉积法合成WO3纳米线,对其高温硫化得到WS2纳米管;在纳米管表面负载Au纳米粒子,以脉冲电流法在Au上沉积CuInS2纳米壳层。利用夹层中Au纳米粒子的局域表面等离激元共振效应,提高了 WS2与CuInS2之间的直接电子传输（Z型）效率,从而将体系的光催化析氢性能提升了 2倍以上。（3）MPS3体系:以溶剂热法合成Fe...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１太阳能分解水制氢系统的能量流动和物质循环??
?硫属二维层状材料的制备及其在光催化分解水中的应用???电位，都可以将水分解，产生氢气和氧气。电催化分解水的关键是电极材料??对７Ｔ的吸附和脱附能力（表现为吸附自由能），以及电极材料的稳定性｜２］。??电分解水的成功，为水的光电催化分解提供了理论基础之一。??ＸＴｌ??图１－２水的电分解示意图??１．１．２光化学分解??水的电分解原理表明，氢气能从水中产生的关键是水中的ｉＴ得到电子形??成／／原子，然后两个／／原子结合，产生分子。依据系统能量总向低处流??动的规则，／／原子的形成需要这样的条件，即反应前电子与／Ｔ能量之和高??于反应后得到的／／原子能量；而根据动力学规则，反应还需要克服电子与／Ｔ??的结合势垒。一定温度下，水中／Ｔ的能级是一定的，因此，只要系统中电子??的能量到达某一高值，便可以从水中析氢。通过理论和实验可知［３］，标准状??况下，当浓度为１?ｍｏｌｌ；１?（ｐＨ＝０）时，水中／／＋还原的绝对能级相对于真空??为＿４．４４?ｅＶ，因此，在真空能级下，能量高于－４．４４?ｅＶ的电子，理论上都可以??还原水产生氢气。电分解水是通过外加电场将电极中的电子激发到较高能量，??从而还原／Ｔ生成／／２的，但这不是提升系统中电子能量的唯一途径。??按照量子力学的计算结果，固体中的电子能量是量子化的，呈现出能带??结构，电子按能量的高低依次占据着能带中的能级。能带之间有能量缝隙，??是电子能量在量子力学上的零概率带，称为禁带。理论上，绝对零度下电子??所能占据的最高能级，或者电子的填充概率为５０％时所对应的能级，称为费??米能级（五Ｆ）。按费米能级在能带中的的位置，可将固体分为导体（玢位于??能带内）和非
?北京科技大学博士学位论文???中，五Ｆ位于禁带内，通常关注靠近办的能带（下面为价带，上面为导带），??这里是半导体中电子能量变化比较剧烈的位置。半导体的价带是被电子占满??的，价带顶的能级为五ＶＢ，而导带是空的，导带底的能级为五ＣＢ，费米能级??私位于价带和导带之间，如下图１－３所示。??个??？－歷导带ｊ??韶费米隱?，ｊ＾＾－办??Ｈ?半导体??绝缘体??图１－３固体能带示意图，禁带宽度￡ｓ，费米能级，价带顶￡ｖｂ，导带底￡ｃｂ??在合适的光照下，半导体中价带顶的电子可以吸收光子能量，跃过禁带，??到达导带底，形成光生电子，同时在价带顶留下一个未被占据的量子态（光??生空穴）。光生电子会很快跃迁回价带顶（与光生空穴复合），但源源不断的??光照会产生源源不断的光生电子－空穴对。当构造合适的结构时，光生电子－??空穴对将被高效分离，从而形成稳定的光电流和光电压。将半导体浸入水中，??若其导带底能级高于氢还原能级，则半导体表面的光生电子可以和水中的／Ｔ??结合形成／／，并进一步形成／／２，从而实现水的分解制氢。同理，若价带顶??能级低于水的氧化能级，则光生空穴有可能夺取氢氧根中的电子，将其氧化??为氧气，从而实现水的分解制氧。这样，就形成了异于电化学分解水的光化??学分解水机制，如图１－４所示。在这个过程中，参与反应的是半导体中的光??生电子和空穴，而半导体本身并不改变，这类似于催化反应，故称为光催化??分解水，其关键是增强半导体的光吸收并促使光生电子－空穴对的分离［４］。对??于光催化全分解水，需要半导体材料具有合适的能带结构，其导带底能级的??绝对位置比氢的还原能级更低，以便光生电子还原水中的氢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Crystallographic and magnetic properties of van der Waals layered FePS3 crystal[J]. 解其云,吴敏,陈丽敏,白刚,邹文琴,王伟,何亮. Chinese Physics B. 2019(05)
[2]Layered Trichalcogenidophosphate:A New Catalyst Family for Water Splitting[J]. Cheng-Feng Du,Qinghua Liang,Raksha Dangol,Jin Zhao,Hao Ren,Srinivasan Madhavi,Qingyu Yan. Nano-Micro Letters. 2018(04)
[3]紫外光电子能谱和X射线光电子能谱表征在金属材料腐蚀中的应用[J]. 王胜刚,孙淼,龙康. 中国腐蚀与防护学报. 2016(04)
[4]Recent Advances in Visible-Light-Driven Photoelectrochemical Water Splitting: Catalyst Nanostructures and Reaction Systems[J]. Xiaoping Chen,Zhixiang Zhang,Lina Chi,Aathira Krishnadas Nair,Wenfeng Shangguan,Zheng Jiang. Nano-Micro Letters. 2016(01)
本文编号：3272230
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１太阳能分解水制氢系统的能量流动和物质循环??
?硫属二维层状材料的制备及其在光催化分解水中的应用???电位，都可以将水分解，产生氢气和氧气。电催化分解水的关键是电极材料??对７Ｔ的吸附和脱附能力（表现为吸附自由能），以及电极材料的稳定性｜２］。??电分解水的成功，为水的光电催化分解提供了理论基础之一。??ＸＴｌ??图１－２水的电分解示意图??１．１．２光化学分解??水的电分解原理表明，氢气能从水中产生的关键是水中的ｉＴ得到电子形??成／／原子，然后两个／／原子结合，产生分子。依据系统能量总向低处流??动的规则，／／原子的形成需要这样的条件，即反应前电子与／Ｔ能量之和高??于反应后得到的／／原子能量；而根据动力学规则，反应还需要克服电子与／Ｔ??的结合势垒。一定温度下，水中／Ｔ的能级是一定的，因此，只要系统中电子??的能量到达某一高值，便可以从水中析氢。通过理论和实验可知［３］，标准状??况下，当浓度为１?ｍｏｌｌ；１?（ｐＨ＝０）时，水中／／＋还原的绝对能级相对于真空??为＿４．４４?ｅＶ，因此，在真空能级下，能量高于－４．４４?ｅＶ的电子，理论上都可以??还原水产生氢气。电分解水是通过外加电场将电极中的电子激发到较高能量，??从而还原／Ｔ生成／／２的，但这不是提升系统中电子能量的唯一途径。??按照量子力学的计算结果，固体中的电子能量是量子化的，呈现出能带??结构，电子按能量的高低依次占据着能带中的能级。能带之间有能量缝隙，??是电子能量在量子力学上的零概率带，称为禁带。理论上，绝对零度下电子??所能占据的最高能级，或者电子的填充概率为５０％时所对应的能级，称为费??米能级（五Ｆ）。按费米能级在能带中的的位置，可将固体分为导体（玢位于??能带内）和非
?北京科技大学博士学位论文???中，五Ｆ位于禁带内，通常关注靠近办的能带（下面为价带，上面为导带），??这里是半导体中电子能量变化比较剧烈的位置。半导体的价带是被电子占满??的，价带顶的能级为五ＶＢ，而导带是空的，导带底的能级为五ＣＢ，费米能级??私位于价带和导带之间，如下图１－３所示。??个??？－歷导带ｊ??韶费米隱?，ｊ＾＾－办??Ｈ?半导体??绝缘体??图１－３固体能带示意图，禁带宽度￡ｓ，费米能级，价带顶￡ｖｂ，导带底￡ｃｂ??在合适的光照下，半导体中价带顶的电子可以吸收光子能量，跃过禁带，??到达导带底，形成光生电子，同时在价带顶留下一个未被占据的量子态（光??生空穴）。光生电子会很快跃迁回价带顶（与光生空穴复合），但源源不断的??光照会产生源源不断的光生电子－空穴对。当构造合适的结构时，光生电子－??空穴对将被高效分离，从而形成稳定的光电流和光电压。将半导体浸入水中，??若其导带底能级高于氢还原能级，则半导体表面的光生电子可以和水中的／Ｔ??结合形成／／，并进一步形成／／２，从而实现水的分解制氢。同理，若价带顶??能级低于水的氧化能级，则光生空穴有可能夺取氢氧根中的电子，将其氧化??为氧气，从而实现水的分解制氧。这样，就形成了异于电化学分解水的光化??学分解水机制，如图１－４所示。在这个过程中，参与反应的是半导体中的光??生电子和空穴，而半导体本身并不改变，这类似于催化反应，故称为光催化??分解水，其关键是增强半导体的光吸收并促使光生电子－空穴对的分离［４］。对??于光催化全分解水，需要半导体材料具有合适的能带结构，其导带底能级的??绝对位置比氢的还原能级更低，以便光生电子还原水中的氢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Crystallographic and magnetic properties of van der Waals layered FePS3 crystal[J]. 解其云,吴敏,陈丽敏,白刚,邹文琴,王伟,何亮. Chinese Physics B. 2019(05)
[2]Layered Trichalcogenidophosphate:A New Catalyst Family for Water Splitting[J]. Cheng-Feng Du,Qinghua Liang,Raksha Dangol,Jin Zhao,Hao Ren,Srinivasan Madhavi,Qingyu Yan. Nano-Micro Letters. 2018(04)
[3]紫外光电子能谱和X射线光电子能谱表征在金属材料腐蚀中的应用[J]. 王胜刚,孙淼,龙康. 中国腐蚀与防护学报. 2016(04)
[4]Recent Advances in Visible-Light-Driven Photoelectrochemical Water Splitting: Catalyst Nanostructures and Reaction Systems[J]. Xiaoping Chen,Zhixiang Zhang,Lina Chi,Aathira Krishnadas Nair,Wenfeng Shangguan,Zheng Jiang. Nano-Micro Letters. 2016(01)
本文编号：3272230
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