钙钛矿型氮氧化物制备及光（电）催化分解水性能研究
发布时间：2021-08-31 14:36
光催化分解水是有效利用太阳能和氢能的一个重要的方向,被认为是解决能源危机和环境污染问题最有效的途径之一,有望未来在新能源方向占有一席之地。在太阳能利用和转换领域,传统氧化物半导体作为光催化材料由于其禁带宽度较大（>3 eV）,理论太阳能-氢能转换效率（STH）低,脱离实际应用。而钙钛矿型多金属氮氧化物由于其结构可调控,禁带宽度小,理论转换效率高,在光催化分解水领域具有巨大潜力,为太阳能高效利用提供了新思路和新方向。但其光催化活性和稳定性仍需进一步提高。本文的研究重点主要集中在高结晶质量钙钛矿型氮氧化物的制备,并通过降低表面缺陷、负载助催化剂等方法提高光电催化活性和粉末光催化活性,以期在光（电）催化分解水以及未来的能源生产中占有一席之地。主要工作内容如下:1.通过熔盐辅助氮化法和电泳法制备了高光电流的SrNbO2N光阳极。采用惰性气氛（Ar）退火抑制表面离子缺陷,进而减少光生载流子在表面的复合。同时利用Co3O4纳米颗粒作为产氧助催化剂提高表面光生电子-空穴的分离效率。研究了氮化温度、熔盐组成和退火过程对晶体完整性、...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)光催化分解水反应过程和(b)能带示意图[2]
浙江大学硕士学位论文4图1.2光催化分解水的能量图解(a)一步激发(b)两步激发（Z-Scheme）(c)光电阳极(d)光电阴极(e)光电阳极阴极串联[2]Fig.1.2Energydiagramsofphotocatalyticwatersplittingbasedon(a)one-stepexcitationand(b)two-stepexcitation(Z-scheme);(c)aphotoanode,(d)photocathode,and(e)photoanodeandphotocathodeintandemconfiguration.最早用以实现光催化分解水采用的体系就是光电极体系[4]。光电催化分解水体系与粉末悬浮体系光催化分解水在原理上是相同的,区别在于：在粉末悬浮体系中,氧化和还原反应都发生在光催化材料颗粒表面,只是在表面的不同位置分别负载相当于阴极和阳极作用的助催化剂,表面同时产生氢气和氧气，需要进一步分离；而在光电催化体系中，将该金属氧化物半导体在FTO或ITO玻璃上制备成薄膜,分别作为光阳极和光阴极,氧气和氢气在两电极上分别析出。通过合理设计分解水光电化学电池的结构,如在水溶液电解质池中间加入膜材料等,将两个电极隔开,可以实现氢气和氧气的完全分开,获得纯净的氢气和氧气。光电化学分解水装置一般包含以下组成部分：模拟太阳光光源（氙灯）、配有石英窗的光电化学反应器，恒电位仪、工作电极、参比电极和对电极，如图1.3所示[16]。用模拟太阳光照射到工作电极表面，同时施加恒定电压或线性扫描电压，检测工作电极和对电极之间的光电流大小，工作电极的电位通过参比电极电位和
第一章绪论5标准氢电极电位换算得到。若需收集产生氢气氧气等，需要加入气体循环检测系统。图1.3PEC设备装置图[16]Fig.1.3SchematicdiagramofPECcell1.2.3光催化分解水性能评价光催化分解水效率性能评价一般包括两个方面，光催化活性和光催化的稳定性。(1)量子效率1908~1912年，Einstein和Stark提出爱因斯坦光化学当量定律：在初级过程中，一个光量子活化一个分子，被活化的分子数等于吸收的光量子数。由此，定义了光化学的量子效率如公式(1.3)： Φ(%)=(A×RI)×100%(1.3)A为气体因子，R表示产生气体的分子数，I表示吸收的光子数目，Φ为量子效率，其中，A为需要的电子数目和生成气体分子数之比。光催化活性可具体通过量子效率来定量评价。在光催化分解水反应中，对于产氢反应，每产生1molH2需要2mol光生电子来还原，计算产氢效率时A取2；而对应的，4mol的光生空穴才能氧化产生1molO2，计算产氧效率时A取4[17]。在光催化分解水实验中，吸收光子数目难以得到，我们利用入射光子数目计算表观量子效率来评价光催化分解水，其计算公式为：AQY%=参与反应的电子数目入射光子数目×100%(1.4)
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能光催化制氢研究进展[J]. 吴芝,孙岚,林昌健. 电化学. 2019(05)
[2]拓展光催化材料光谱响应的研究进展[J]. 荆涛,戴瑛,马晓娟,黄柏标. 中国光学. 2016(01)
博士论文
[1]多金属化合物纳米结构的制备及其光催化性能研究[D]. 李亚光.浙江大学 2015
[2]（氧）氮化物的制备及其光电化学水分解性能的研究[D]. 冯建勇.南京大学 2014
硕士论文
[1]吸附氧和表面缺陷对STO光催化析氢的影响[D]. 陈海东.河南大学 2018
[2]多金属氧化物纳米结构的制备及其光催化性能研究[D]. 宋辉.浙江大学 2016
本文编号：3375065
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)光催化分解水反应过程和(b)能带示意图[2]
浙江大学硕士学位论文4图1.2光催化分解水的能量图解(a)一步激发(b)两步激发（Z-Scheme）(c)光电阳极(d)光电阴极(e)光电阳极阴极串联[2]Fig.1.2Energydiagramsofphotocatalyticwatersplittingbasedon(a)one-stepexcitationand(b)two-stepexcitation(Z-scheme);(c)aphotoanode,(d)photocathode,and(e)photoanodeandphotocathodeintandemconfiguration.最早用以实现光催化分解水采用的体系就是光电极体系[4]。光电催化分解水体系与粉末悬浮体系光催化分解水在原理上是相同的,区别在于：在粉末悬浮体系中,氧化和还原反应都发生在光催化材料颗粒表面,只是在表面的不同位置分别负载相当于阴极和阳极作用的助催化剂,表面同时产生氢气和氧气，需要进一步分离；而在光电催化体系中，将该金属氧化物半导体在FTO或ITO玻璃上制备成薄膜,分别作为光阳极和光阴极,氧气和氢气在两电极上分别析出。通过合理设计分解水光电化学电池的结构,如在水溶液电解质池中间加入膜材料等,将两个电极隔开,可以实现氢气和氧气的完全分开,获得纯净的氢气和氧气。光电化学分解水装置一般包含以下组成部分：模拟太阳光光源（氙灯）、配有石英窗的光电化学反应器，恒电位仪、工作电极、参比电极和对电极，如图1.3所示[16]。用模拟太阳光照射到工作电极表面，同时施加恒定电压或线性扫描电压，检测工作电极和对电极之间的光电流大小，工作电极的电位通过参比电极电位和
第一章绪论5标准氢电极电位换算得到。若需收集产生氢气氧气等，需要加入气体循环检测系统。图1.3PEC设备装置图[16]Fig.1.3SchematicdiagramofPECcell1.2.3光催化分解水性能评价光催化分解水效率性能评价一般包括两个方面，光催化活性和光催化的稳定性。(1)量子效率1908~1912年，Einstein和Stark提出爱因斯坦光化学当量定律：在初级过程中，一个光量子活化一个分子，被活化的分子数等于吸收的光量子数。由此，定义了光化学的量子效率如公式(1.3)： Φ(%)=(A×RI)×100%(1.3)A为气体因子，R表示产生气体的分子数，I表示吸收的光子数目，Φ为量子效率，其中，A为需要的电子数目和生成气体分子数之比。光催化活性可具体通过量子效率来定量评价。在光催化分解水反应中，对于产氢反应，每产生1molH2需要2mol光生电子来还原，计算产氢效率时A取2；而对应的，4mol的光生空穴才能氧化产生1molO2，计算产氧效率时A取4[17]。在光催化分解水实验中，吸收光子数目难以得到，我们利用入射光子数目计算表观量子效率来评价光催化分解水，其计算公式为：AQY%=参与反应的电子数目入射光子数目×100%(1.4)
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能光催化制氢研究进展[J]. 吴芝,孙岚,林昌健. 电化学. 2019(05)
[2]拓展光催化材料光谱响应的研究进展[J]. 荆涛,戴瑛,马晓娟,黄柏标. 中国光学. 2016(01)
博士论文
[1]多金属化合物纳米结构的制备及其光催化性能研究[D]. 李亚光.浙江大学 2015
[2]（氧）氮化物的制备及其光电化学水分解性能的研究[D]. 冯建勇.南京大学 2014
硕士论文
[1]吸附氧和表面缺陷对STO光催化析氢的影响[D]. 陈海东.河南大学 2018
[2]多金属氧化物纳米结构的制备及其光催化性能研究[D]. 宋辉.浙江大学 2016
本文编号：3375065
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