稀土金属镧修饰促进氧化钨和氧化钼光催化合成氨的研究
发布时间：2022-01-03 00:32
人类步入现代文明社会以来,经济和工业发展迅速,物质文明也不断丰富。但是这种飞速发展建立在化石能源大规模开采与利用的基础上,不仅直接导致了能源枯竭,也引发了一系列环境问题。能源短缺造成的严重后果日渐凸显,科学家们不得不加快探索新能源的步伐。目前得到广泛应用的新能源多种多样,如太阳能、地热能、水能、风能等,其中太阳能由于其具有的绿色清洁、分布广泛、储量巨大等诸多优点成为最具研究开发价值和应用前景的可再生清洁能源,得到了国内外科学家的高度关注和深入研究。因此,发展将太阳能转化为化学能的科学技术,对于改善地球资源和环境问题具有极其深远的意义。半导体光催化技术是实现太阳能向化学能转变的重大突破,起源于光催化分解水产氢。在过去几十年里,半导体光催化技术已普遍应用于环境污染治理、光催化有机合成等领域。此外,近年来猛增的光催化固氮相关研究共同表明,光催化反应中,半导体受光子能量激发而在其能带结构中产生的光生电子,可用于还原空气的主要成分——氮气,后续得到人类生活必不可缺的氨。光催化固氮技术受自然界中固氮作用这一生命现象的启发,豆科植物根瘤菌可通过固氮酶将空气中的氮气固定合成有机氨作为合成自身养分的原料...
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）地球的环境污染；（ｂ）常见的可更新能源；（ｃ）半导体光催化技术的应用领域??上世纪七十年代，东京大学的Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ和Ｈｏｎｄａ等人尝试将Ｔｉ〇２制成电极，??
本原理长期以来都是各学科科学家们密切关注的基本科学??技术问题，其中，物理学家威耳逊曾阐明了金属和绝缘体的区别，并阐述了介于二??者间存在半导体。光催化技术以半导体独特的电子结构为基础，区别于金属和绝缘??体，半导体的能带结构中存在着电子无法占据的禁带，将电子填充带（价带）和电子??未填充带（导带）分隔开，价带顶与导带底的能量相对差值即为带隙能［４］。??基于半导体的光催化反应涉及光吸收、载流子传输与转移和表界面反应等多个??步骤。具体而言，半导体光催化反应主要包含以下三个基本步骤（图１．２）：①当能量??等于或大于带隙的光子照射到半导体材料上时，半导体吸收光，激发其价带中的电??子发生跃迁，转移到导带变为光生电子（〇，与此同时，在价带中留下数量大致相等??的光生空穴（ｈ＂），它们以光生电子－空穴对的形式存在于半导体内？，②随后光生电子－??空穴对向半导体表面迁移，其中一部分光生电子－空穴由于空间库伦相互作用再次复??合，另一部分成功迁移至半导体表面；③光生电子的表界面传递可触发还原反应，??如将有效吸附的Ｎ２、０２、Ｈ２０、Ｃ０２等还原得到对应的还原产物ＮＨ３、０２＿、Ｈ２、??ＣＨ４等；由光生空穴的表界面传递而发生氧化反应，如将水分子等氧化得到氧气或??氧化降解水中的污染物。??ｎ２，?〇２，?ｈ２ｏ，?ｃｏ２??．．金：：：?鼻??＃ｚ?Ａ?八?Ｊ?．．Ｖｃｔｉ：：”．－??ｅ－??Ｌ?ＣＢ?ＮＨｊ，?０２－，ｈ２，ｃｈ４??①②??Ｈ２ａＤ〇ｃ．．．ｒ－ｖ?ＶＢ?＾Ｌｉｇｈｔａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ??ｈ＋?（ｉ）?＾??②?Ｃｈａｒｇｅ?ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ／ｍｉｇｒａｔｉｏｎ??Ｈ２
分离对于提高光催化效率至关重要。??？?Ｓｅｖｅｒａｌ?ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｓ??（２）?Ｈｕｎｄｒｅｄｓ?ｏｆ?ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｓ??（Ｄ?Ｈｕｎｄｒｅｄｓ?ｏｆ?ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｓ?ｔｏ??ｓｅｖｅｒａｌ?ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄｓ??％?Ｓｅｖｅｒａｌ?ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｓ?ｔｏ?ｄｏｚｅｎｓ??ｏｆ?ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｓ??％?Ｄｏｚｅｎｓ?ｏｆ?ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｓ?ｔｏ??ｓｅｖｅｒａｌ?ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｓ??Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ??图１．３半导体光催化过程中光生电子－空穴的历程??１．２．２．３电子／空穴的还原氧化电势??前面提到，受光激发的光生载流子只有有效迁移到半导体材料表面并满足一定??的热力学条件，才能促使光催化反应的发生。对于在寿命周期内迁移到半导体表面??反应位点的光生载流子，需要满足的热力学条件是光生载流子的氧化还原电势（即半??导体能带结构）与被吸附物的氧化还原电势相匹配，即光生电子的电势（即导带带边）??比被还原物质的电势稍负，而光生空穴的电势（即价带带边）比被氧化物质的电势稍??正，才能使得光生电子或空穴传递至基态的被吸附物，参与对应的还原或氧化反应??［１８］。这正是许多窄带隙半导体虽可被光激发，且载流子可有效传输，但却没有光催??化性能的原因之一。??以半导体光催化分解水为例，光解水产氢和产氧的标准电位分别为０?ｅＶＣＰＴ／Ｉ＾??ｖｓ?ＭｉＥ）和＋１．２３?ｅＶ（Ｈ２０／０２?ｖｓ?ＮＨＥ），因此光催化材料的导带底位置须比ＨＶＨ２?（０??ｅＶ）的氧化还原电势要高，才可催化还原反应产氢；价带顶位置需低于Ｈ２０／０２（＋１．２３??ｅＶ），才
【参考文献】：
期刊论文
[1]Single atom accelerates ammonia photosynthesis[J]. Pengcheng Huang,Wei Liu,Zhihai He,Chong Xiao,Tao Yao,Youming Zou,Chengming Wang,Zeming Qi,Wei Tong,Bicai Pan,Shiqiang Wei,Yi Xie. Science China（Chemistry）. 2018(09)
[2]太阳能应用现状研究[J]. 陈峰,刘斌. 中国战略新兴产业. 2018(20)
[3]Metal nanoparticles induced photocatalysis[J]. Lequan Liu,Xinnan Zhang,Lufeng Yang,Liteng Ren,Defa Wang,Jinhua Ye. National Science Review. 2017(05)
本文编号：3565194
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）地球的环境污染；（ｂ）常见的可更新能源；（ｃ）半导体光催化技术的应用领域??上世纪七十年代，东京大学的Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ和Ｈｏｎｄａ等人尝试将Ｔｉ〇２制成电极，??
本原理长期以来都是各学科科学家们密切关注的基本科学??技术问题，其中，物理学家威耳逊曾阐明了金属和绝缘体的区别，并阐述了介于二??者间存在半导体。光催化技术以半导体独特的电子结构为基础，区别于金属和绝缘??体，半导体的能带结构中存在着电子无法占据的禁带，将电子填充带（价带）和电子??未填充带（导带）分隔开，价带顶与导带底的能量相对差值即为带隙能［４］。??基于半导体的光催化反应涉及光吸收、载流子传输与转移和表界面反应等多个??步骤。具体而言，半导体光催化反应主要包含以下三个基本步骤（图１．２）：①当能量??等于或大于带隙的光子照射到半导体材料上时，半导体吸收光，激发其价带中的电??子发生跃迁，转移到导带变为光生电子（〇，与此同时，在价带中留下数量大致相等??的光生空穴（ｈ＂），它们以光生电子－空穴对的形式存在于半导体内？，②随后光生电子－??空穴对向半导体表面迁移，其中一部分光生电子－空穴由于空间库伦相互作用再次复??合，另一部分成功迁移至半导体表面；③光生电子的表界面传递可触发还原反应，??如将有效吸附的Ｎ２、０２、Ｈ２０、Ｃ０２等还原得到对应的还原产物ＮＨ３、０２＿、Ｈ２、??ＣＨ４等；由光生空穴的表界面传递而发生氧化反应，如将水分子等氧化得到氧气或??氧化降解水中的污染物。??ｎ２，?〇２，?ｈ２ｏ，?ｃｏ２??．．金：：：?鼻??＃ｚ?Ａ?八?Ｊ?．．Ｖｃｔｉ：：”．－??ｅ－??Ｌ?ＣＢ?ＮＨｊ，?０２－，ｈ２，ｃｈ４??①②??Ｈ２ａＤ〇ｃ．．．ｒ－ｖ?ＶＢ?＾Ｌｉｇｈｔａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ??ｈ＋?（ｉ）?＾??②?Ｃｈａｒｇｅ?ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ／ｍｉｇｒａｔｉｏｎ??Ｈ２
分离对于提高光催化效率至关重要。??？?Ｓｅｖｅｒａｌ?ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｓ??（２）?Ｈｕｎｄｒｅｄｓ?ｏｆ?ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｓ??（Ｄ?Ｈｕｎｄｒｅｄｓ?ｏｆ?ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｓ?ｔｏ??ｓｅｖｅｒａｌ?ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄｓ??％?Ｓｅｖｅｒａｌ?ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｓ?ｔｏ?ｄｏｚｅｎｓ??ｏｆ?ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｓ??％?Ｄｏｚｅｎｓ?ｏｆ?ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｓ?ｔｏ??ｓｅｖｅｒａｌ?ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｓ??Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ??图１．３半导体光催化过程中光生电子－空穴的历程??１．２．２．３电子／空穴的还原氧化电势??前面提到，受光激发的光生载流子只有有效迁移到半导体材料表面并满足一定??的热力学条件，才能促使光催化反应的发生。对于在寿命周期内迁移到半导体表面??反应位点的光生载流子，需要满足的热力学条件是光生载流子的氧化还原电势（即半??导体能带结构）与被吸附物的氧化还原电势相匹配，即光生电子的电势（即导带带边）??比被还原物质的电势稍负，而光生空穴的电势（即价带带边）比被氧化物质的电势稍??正，才能使得光生电子或空穴传递至基态的被吸附物，参与对应的还原或氧化反应??［１８］。这正是许多窄带隙半导体虽可被光激发，且载流子可有效传输，但却没有光催??化性能的原因之一。??以半导体光催化分解水为例，光解水产氢和产氧的标准电位分别为０?ｅＶＣＰＴ／Ｉ＾??ｖｓ?ＭｉＥ）和＋１．２３?ｅＶ（Ｈ２０／０２?ｖｓ?ＮＨＥ），因此光催化材料的导带底位置须比ＨＶＨ２?（０??ｅＶ）的氧化还原电势要高，才可催化还原反应产氢；价带顶位置需低于Ｈ２０／０２（＋１．２３??ｅＶ），才
【参考文献】：
期刊论文
[1]Single atom accelerates ammonia photosynthesis[J]. Pengcheng Huang,Wei Liu,Zhihai He,Chong Xiao,Tao Yao,Youming Zou,Chengming Wang,Zeming Qi,Wei Tong,Bicai Pan,Shiqiang Wei,Yi Xie. Science China（Chemistry）. 2018(09)
[2]太阳能应用现状研究[J]. 陈峰,刘斌. 中国战略新兴产业. 2018(20)
[3]Metal nanoparticles induced photocatalysis[J]. Lequan Liu,Xinnan Zhang,Lufeng Yang,Liteng Ren,Defa Wang,Jinhua Ye. National Science Review. 2017(05)
本文编号：3565194
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