过渡金属半导体复合材料的可控合成及其光催化性能的研究
发布时间：2021-10-30 02:55
近年来,日益严重的能源短缺和环境污染问题已经严重制约了人类的可持续发展。因此,绿色可再生能源的开发迫在眉睫。氢气具有能量密度高、燃烧产物无污染等优势,可以满足人们对新型可持续能源的需求。太阳能光解水制氢技术是开发利用氢能的重要途径之一。其中,高性能光催化剂的开发是关键。硫化镉（CdS）具有合适的带隙宽度和能带边缘位置,被认为是一种具有广阔应用前景的可见光光催化剂材料。此外,考虑到一维纳米结构所特有的结构优势能够促进光生电荷的快速传输与分离。因此,设计合成具有新颖结构的一维CdS基纳米复合材料,研究其结构与性能之间的构效关系对光催化技术的发展具有重要意义。本论文以一维CdS基纳米结构为研究对象,通过优化异质结的界面结构和电荷转移机制来提高光催化剂的性能,为新型高效光催化材料的开发提供新的研究思路。本文具体工作总结如下:1、设计合成了新型全固态Z-机制光催化剂Cd1-xZnxS@WO3=x和Cd1-xZnxS@WO3-x/CoOx/NiOx复合材料,并研究了它们的可见光响应光解水产氢活性。其中,Cd1-xZnxS@WO3-x纳米复合材料是通过溶剂热法和后续的室温水解氧化过程制备所得,它是由...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化原理图[10]
过渡金属半导体复合材料的可控合成及其光催化性能的研究2根据以能带为基础的电子理论，半导体的能带是由一个空的的高能导带(CB)和一个充满子电子的低能价带(VB)所组成的，半导体的导带和价带之间存在着一个区域叫禁带，导带和价带间禁带的大小称为禁带宽度(Eg)。当半导体吸收的能量等于或大于其禁带能量的辐射时，电子由价带激发至导带，产生电子-空穴对，电荷载流子进一步与半导体表面的吸附物种反应[11]。经过科学家们不断的努力，对于光催化产氢的机理有了初步了解。以图1-1所示，第一步：大于或等于半导体禁带宽度的太阳光辐射到半导体上，激发后产生的光生电子从半导体的价带迁移到半导体的导带上，价带上留下一个带正电的光生空穴，产生的电子具有还原能力而空穴则具有氧化能力；第二步：光生电子和空穴极易发生复合并以光和热的形式释放能量，而没有复合的电子-空穴对分离和迁移到催化剂的表面参与水的氧化还原反应；第三步：导带中的光生电子迁移至催化剂的表面将质子(H+)还原为氢气(H2)，而光生空穴将水(H2O)氧化为氧气(O2)。图1-2部分半导体能带结构与水分解氧化还原电位间的关系。Figure1-2relationshipbetweensemiconductorbandstructureandwaterdecompositionredoxpotential.可用于光催化产氢的半导体，一方面需要半导体的禁带宽度越窄越好，以便于半导体在更宽的光谱范围内响应，吸收更多的太阳能能量产生更多的光生载流子；另一方面需要半导体的导带点位高于产氢的析出点位，导带上的电子才可以用于光催化分解水产氢。1.3光催化剂的发展现状通过科学家们过去几十年的努力，开发出许多优良的光催化剂，主要包括氧化物，氮化物和硫化物等。
剂相比，核壳型In2O3-In2S3纳米结构的氢气产生速率明显提高。但是通常氧化物半导体的带隙较宽，只能吸收太阳光中的紫外光部分，这极大制约了氧化物光催化剂在实际中的应用。Chen等人[16]采用原位光沉积法制备了非晶态CoSx改性二氧化钛光催化剂。在紫外光的照射下，CoSx/TiO2光催化剂对氢气的催化性能明显高于纯TiO2。CoSx/TiO2的光催化性能的提高源于其快速的界面电荷转移和大量的不饱和S原子的活性位点来快速捕获质子进行产氢。当非晶态CoSx的量为10wt%时，CoSx/TiO2的产氢速率达到119.7μmolh1，几乎是纯TiO2的16.7倍。图1-3CoSx/TiO2催化剂的合成机理图[16]。Figure1-3SchematicillustrationforthesynthesisofCoSx/TiO2photocatalyst[16].1.3.2氮化物光催化剂N2p和O2p的轨道都具有易杂化的性质，并且N2p轨道相对于O2p价带位置更正，所以引起了众多研究者的兴趣。在化合物中引入氮元素，减小催化剂带隙，拓宽光谱吸收范围。常见的氮化物，像g-C3N4[17]，Ta3N5[18]等。Xiao等人[18]，利用氧化石墨烯模板化策略，设计出厚度约为2nm的Ta3N5超薄纳米网。由于Ta3N5的高表面积和良好的结晶度，有效地改善了电子的传输能力并延长了载流子的寿命。当用作光催化剂时，Ta3N5纳米网在利用太阳能光解水制氢方面显著优于其它光催化剂。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Z-机制光催化剂Cd1-xZnxS@WO3-x和Cd1-xZnxS@WO3-x/CoOx/NiOx及其高效可见光解水产氢活性研究（英文）[J]. 黎艳艳,阮芹芹,林海峰,耿延玲,王婕菲,王辉,杨宇,王磊. Science China Materials. 2020(01)
[2]具有高效电子-空穴分离和优异太阳光催化产氢性能的金红石TiO2表面的氧空位调控（英文）[J]. 肖芳,周卫,孙博婧,李昊泽,乔盼哲,任丽萍,赵小军,付宏刚. Science China Materials. 2018(06)
[3]MoS2纳米片/CdS纳米线复合光催化剂的制备及其光电化学和光催化活性研究（英文）[J]. 王红梅,Sara Bonabi Naghadeh,李春鹤,应露,A’Lester Allen,张金中. Science China Materials. 2018(06)
[4]金属受体辅助S–O耦合作用改善六方相三氧化钨光解水性能的研究（英文）[J]. 杨晨熹,陈建峰,曾晓飞,程道建. Science China Materials. 2018(01)
[5]纳米异质结光催化剂制氢研究进展（英文）[J]. 杜虹,刘亚男,申丛丛,徐安武. 催化学报. 2017(08)
[6]氢化能带可调的TiO2/SrTiO3多孔微球用于光催化制备氢气和氧气（英文）[J]. 韩陶然,陈亚杰,田国辉,周卫,肖玉婷,李金鑫,付宏刚. Science China Materials. 2016(12)
本文编号：3465908
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化原理图[10]
过渡金属半导体复合材料的可控合成及其光催化性能的研究2根据以能带为基础的电子理论，半导体的能带是由一个空的的高能导带(CB)和一个充满子电子的低能价带(VB)所组成的，半导体的导带和价带之间存在着一个区域叫禁带，导带和价带间禁带的大小称为禁带宽度(Eg)。当半导体吸收的能量等于或大于其禁带能量的辐射时，电子由价带激发至导带，产生电子-空穴对，电荷载流子进一步与半导体表面的吸附物种反应[11]。经过科学家们不断的努力，对于光催化产氢的机理有了初步了解。以图1-1所示，第一步：大于或等于半导体禁带宽度的太阳光辐射到半导体上，激发后产生的光生电子从半导体的价带迁移到半导体的导带上，价带上留下一个带正电的光生空穴，产生的电子具有还原能力而空穴则具有氧化能力；第二步：光生电子和空穴极易发生复合并以光和热的形式释放能量，而没有复合的电子-空穴对分离和迁移到催化剂的表面参与水的氧化还原反应；第三步：导带中的光生电子迁移至催化剂的表面将质子(H+)还原为氢气(H2)，而光生空穴将水(H2O)氧化为氧气(O2)。图1-2部分半导体能带结构与水分解氧化还原电位间的关系。Figure1-2relationshipbetweensemiconductorbandstructureandwaterdecompositionredoxpotential.可用于光催化产氢的半导体，一方面需要半导体的禁带宽度越窄越好，以便于半导体在更宽的光谱范围内响应，吸收更多的太阳能能量产生更多的光生载流子；另一方面需要半导体的导带点位高于产氢的析出点位，导带上的电子才可以用于光催化分解水产氢。1.3光催化剂的发展现状通过科学家们过去几十年的努力，开发出许多优良的光催化剂，主要包括氧化物，氮化物和硫化物等。
剂相比，核壳型In2O3-In2S3纳米结构的氢气产生速率明显提高。但是通常氧化物半导体的带隙较宽，只能吸收太阳光中的紫外光部分，这极大制约了氧化物光催化剂在实际中的应用。Chen等人[16]采用原位光沉积法制备了非晶态CoSx改性二氧化钛光催化剂。在紫外光的照射下，CoSx/TiO2光催化剂对氢气的催化性能明显高于纯TiO2。CoSx/TiO2的光催化性能的提高源于其快速的界面电荷转移和大量的不饱和S原子的活性位点来快速捕获质子进行产氢。当非晶态CoSx的量为10wt%时，CoSx/TiO2的产氢速率达到119.7μmolh1，几乎是纯TiO2的16.7倍。图1-3CoSx/TiO2催化剂的合成机理图[16]。Figure1-3SchematicillustrationforthesynthesisofCoSx/TiO2photocatalyst[16].1.3.2氮化物光催化剂N2p和O2p的轨道都具有易杂化的性质，并且N2p轨道相对于O2p价带位置更正，所以引起了众多研究者的兴趣。在化合物中引入氮元素，减小催化剂带隙，拓宽光谱吸收范围。常见的氮化物，像g-C3N4[17]，Ta3N5[18]等。Xiao等人[18]，利用氧化石墨烯模板化策略，设计出厚度约为2nm的Ta3N5超薄纳米网。由于Ta3N5的高表面积和良好的结晶度，有效地改善了电子的传输能力并延长了载流子的寿命。当用作光催化剂时，Ta3N5纳米网在利用太阳能光解水制氢方面显著优于其它光催化剂。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Z-机制光催化剂Cd1-xZnxS@WO3-x和Cd1-xZnxS@WO3-x/CoOx/NiOx及其高效可见光解水产氢活性研究（英文）[J]. 黎艳艳,阮芹芹,林海峰,耿延玲,王婕菲,王辉,杨宇,王磊. Science China Materials. 2020(01)
[2]具有高效电子-空穴分离和优异太阳光催化产氢性能的金红石TiO2表面的氧空位调控（英文）[J]. 肖芳,周卫,孙博婧,李昊泽,乔盼哲,任丽萍,赵小军,付宏刚. Science China Materials. 2018(06)
[3]MoS2纳米片/CdS纳米线复合光催化剂的制备及其光电化学和光催化活性研究（英文）[J]. 王红梅,Sara Bonabi Naghadeh,李春鹤,应露,A’Lester Allen,张金中. Science China Materials. 2018(06)
[4]金属受体辅助S–O耦合作用改善六方相三氧化钨光解水性能的研究（英文）[J]. 杨晨熹,陈建峰,曾晓飞,程道建. Science China Materials. 2018(01)
[5]纳米异质结光催化剂制氢研究进展（英文）[J]. 杜虹,刘亚男,申丛丛,徐安武. 催化学报. 2017(08)
[6]氢化能带可调的TiO2/SrTiO3多孔微球用于光催化制备氢气和氧气（英文）[J]. 韩陶然,陈亚杰,田国辉,周卫,肖玉婷,李金鑫,付宏刚. Science China Materials. 2016(12)
本文编号：3465908
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