基于二氧化钛基材料的光热化学循环分解水制氢实验研究

发布时间：2017-05-18 01:06

  本文关键词：基于二氧化钛基材料的光热化学循环分解水制氢实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：氢能因其具有清洁、高效等优点,被认为是最具潜力的化石燃料替代能源。利用太阳能分解水制氢是一种理想的氢气制备方法。直接太阳能热分解水需要很高的温度,难以实现。利用热化学循环分解水能够有效降低温度并且避免氢气和氧气的分离问题。基于金属氧化物的两步式热化学循环是研究最多的循环之一包含两步,第一步,金属氧化物在高温下还原,这一步通常采用太阳能聚光驱动；第二步,还原后的金属氧化物与水在相对较低的温度下反应,产生氢气,同时生成的金属氧化物用于第一步,如此循环。总反应就是水分解生成氢气和氧气。该循环面临的最大问题是金属氧化物分解需要极高的温度,一般的单金属氧化物在1500℃以上。目前国际上普遍采用的方法是对金属氧化物掺杂其他金属离子,形成二元或多元的金属氧化物。该方法在一定程度上降低了温度,然而想要达到理想的氢气产量,依然需要1400℃左右的高温。本课题组将光化学反应引入热化学循环,提出了新型光热化学循环。在该循环中,高温的金属氧化物分解反应被光化学反应替代,在常温下即可进行；而水分解制氢反应仍采用热化学的方法。这样循环的最高温度极大地降低了(本论文为600℃)。本文首先以Ti02作为光热化学的循环物质,通过一系列对比循环实验,初步验证了光热化学循环的可行性。对光照时间、加热时间、温度对氢气产量的影响进行了探究。然后以光反应中光照时间为40 min,热反应中温度为600℃,时间1h为条件,做了连续五个循环,发现TiO2具有很好的循环性能,在五个循环中氢气产量比较稳定,平均每个循环产生的氢气量为0.421 mL/g。通过XPS和EPR分析,建立了光热化学循环的初步机理。对比了循环前后TiO2的晶型和比表面积,没有明显的变化,这是TiO2具有良好循环性能的原因。在TiO2中掺杂了0.5%的Fe,通过TEM、SEM、UV-VIS、PL等手段对掺杂了Fe的TiO2和纯TiO2做了对比。通过TEM, SEM发现掺杂了Fe后的TiO2颗粒更加分散；通过UV-VIS对比发现,掺杂了Fe后,吸收光谱发生了红移,并且在300-500nm波段内吸收率提高了；通过PL对比发现掺杂了Fe后,电子空穴复合率降低了。对光照时间、加热时间、温度对氢气产量的影响进行了探究。然后以光反应中光照时间30 min,热反应中温度600℃,时间1h为条件,做了连续五个循环,发现掺杂了0.5% Fe的TiO2同样具有很好的循环性能,平均每个循环的氢气产量为0.747 mL/g,是TiO2的1.77倍。
【关键词】：热化学循环 光热化学循环 分解水 制氢 氧空位
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 1 绪论12-31
• 1.1 引言12-13
• 1.2 氢能制备方法13-17
• 1.2.1 化石燃料制氢13-14
• 1.2.2 生物质制氢14-15
• 1.2.3 水制氢15-17
• 1.3 热化学循环分解水制氢17-19
• 1.4 基于金属氧化物的两步式热化学循环分解水制氢19-27
• 1.4.1 两步式热化学循环分解水简介19-20
• 1.4.2 两步式热化学循环分解水进展20-27
• 1.4.3 两步式热化学循环分解水的总结27
• 1.5 光热化学循环简介27-29
• 1.6 本文研究内容29-31
• 2 实验系统及方法31-39
• 2.1 实验器材31-35
• 2.1.1 实验所用试剂及仪器与设备31-32
• 2.1.2 主要仪器及实验设备介绍32-35
• 2.2 光热化学循环性能测试方法35-36
• 2.3 催化剂表征36-39
• 3 基于TiO_2/TiO_(2-x)的光热化学循环分解水制氢39-53
• 3.1 引言39
• 3.2 实验部分39-46
• 3.2.1 TiO_2样品制备39-40
• 3.2.2 材料表征40-42
• 3.2.3 光热化学循环性能评价42-46
• 3.3 光热化学循环机理探究46-49
• 3.3.1 XPS表征47-48
• 3.3.2 EPR表征48
• 3.3.3 光热化学循环初步机理48-49
• 3.4 循环前后的TiO_2对比49-51
• 3.5 本章小结51-53
• 453-65
• 4.253-62
• 4.2.2 材料表征53-58
• 4.2.3 光热化学循环性能评价58-62
• 4.3 循环前后的0.5% Fe-TiO_2样品对比62-63
• 4.4 本章小结63-65
• 5 全文总结与工作展望65-69
• 5.1 全文总结65-67
• 5.2 本文的创新之处67
• 5.3 对未来工作的展望67-69
• 参考文献69-79
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文79

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本文编号：374831