光解水催化剂的第一性原理研究
发布时间：2021-03-15 18:43
近年来,环境污染、能源危机等问题越来越严重,人们渴望得到一种新型的、无污染的能源来代替煤炭、石油等不可再生的化石燃料,而氢能源无疑是我们最好的选择。到目前为止,工业上广泛采用红热的碳与水蒸气反应或者从天然气和石油加工工业中的提纯的甲烷与水蒸气反应来制取氢气。除此之外人们还提出了一种更清洁更廉价的方法来制取氢气,就是光解水来制取氢气。这一领域的第一个突破是1972年藤岛和本田利用TiO2电极实现了水的完全分解。自那时以来,人们就开启了研究利用各种半导体材料作为光催化剂来制取氢气的大门。在本文中,我们利用密度泛函理论的模拟计算方法主要研究了两种二维材料充当光解水制氢的催化剂的可能性。一方面,通过研究二维非金属纳米薄膜g-HTAP的电学和光学性质,我们发现它具有良好的结构稳定性和光吸收效率,通过模拟g-HTAP的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）过程,发现g-HTAP二维薄膜具有很好的制氢性能,但是析氧过程的驱动力略有不足,这可以通过添加牺牲剂来保证制氢的顺利进行。另一方面,我们还研究了二维异质结材料PtS2/MoSe2的...
【文章来源】：南京师范大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太阳能转换为氢能源的原理图[6]
第一章绪论3具有很好的氧化还原作用。然而由于TiO2带隙为3.0eV左右，只能吸收紫外光区域的太阳光，不利于太阳光的收集，所以人们大多数是研究在TiO2中掺杂一些杂质（如Pt等），以此来提高催化剂对太阳光的吸收效率。其实不仅仅是TiO2，大多数金属氧化物都具有较宽的带隙，比如ZnO(3.4eV)[34],Ga2O3(4.5eV)[35],Al2O3(8.8eV)[36]等，因此金属氧化物在用来做光催化的同时往往都需要掺杂一些别的元素来进行调节，改变材料的电子结构[37]。图1.2TiO2光解水原理图[32,33]。与此同时，与氧元素同主族的金属硫化物在光催化性能上的研究也引起了人们的注意，其中以CdS和MoS2是硫化物在光催化领域应用中最具有代表性的两种材料。这两种材料在实验上制备简单、稳定存在，而且带隙可以调节，当其由多层结构变为单层结构时，带隙增宽，其相应的化学性质、电子结构也会发生改变。值得一提的是，金属硫化物与金属氧化物相比，带隙偏小一点，CdS带隙大约2.4eV，被认为是光解水领域的优秀材料[38,39]。而MoS2带隙2.0eV，是一个典型的层状化合物，层内是以微弱的范德华力结合在一起的，每个单元是“S-Mo-S”的三明治结构。虽然MoS2化学结构稳定，具有合适的光解水的带隙，但是分离开的电子空穴极易复合，载流子的迁移率也相对较弱，所以在光解水领域的应用并不是很理想[40-42]。1.2.2氮化物与氮碳化物（）氮化物中N的电子轨道与金属氧化物中氧的电子轨道相似，N的轨道能量
第一章绪论7图1.3部分半导体的CBM/VBM图[61]。（2）载流子迁移率光催化剂在吸收太阳光子的能量形成电子空穴对之后，由于电子的热运动，此时光催化剂处于一个亚稳态，光生电子在运动和输运的过程中很容易再跃迁回价带，并与空穴复合，从而制约光催化的进程。所以加速光生载流子的迁移效率，激发电子-空穴的快速分离是提高太阳能转换效率的另一重要手段[62]。在我们之前提到的光催化材料中，石墨烯一直认为是比较有前途的二维非金属光催化材料。石墨烯的优势在于费米面附近的狄拉克锥形的能带结构允许其具有超高的载流子迁移率，它的载流子迁移率高达106ms-1，是目前发现的光催化材料中具有最高迁移率的材料[63,64]。而对于石墨化碳氮化物（g-C3N4），尽管它在带隙、光吸收等方面都符合光解水制氢的要求，可惜的是，它的电子和空穴的复合率太高，以至于制氢的效率极低，所以在光催化制氢方面仍面临着巨大的挑战。为了提高g-C3N4的载流子迁移率，科研人员通过掺杂或者构造异质结构来改变其的电子结构。Chen等人通过构造环形结构，在C3N4的基础上引入石墨烯来提高其载流子迁移率。最特别的是，通过连续的π共轭键无缝拼接平面内具有类似芳香结构的二维材料，如石墨化碳环截面，可以有效地调节能带结构和电子传输特性，从而使平面内电子空穴快速分离和传输[65,66]。（3）氧化/还原反应能垒光解水是一个升高能垒的反应，即吸热反应（>0），理论上我们只要考虑带隙方面符合光解水的要求即可，可是考虑到热力学方面光解水是两个半反应，每个半反应都有反应能垒，所以就要求Δ<，Δ<。因此带隙除了要覆
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent Progress on Visible Light Responsive Heterojunctions for Photocatalytic Applications[J]. Songcan Wang,Jung-Ho Yun,Bin Luo,Teera Butburee,Piangjai Peerakiatkhajohn,Supphasin Thaweesak,Mu Xiao,Lianzhou Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(01)
[2]提高光催化剂光解水制氢效率的方法概述[J]. 胡建强. 化工技术与开发. 2015(05)
本文编号：3084635
【文章来源】：南京师范大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太阳能转换为氢能源的原理图[6]
第一章绪论3具有很好的氧化还原作用。然而由于TiO2带隙为3.0eV左右，只能吸收紫外光区域的太阳光，不利于太阳光的收集，所以人们大多数是研究在TiO2中掺杂一些杂质（如Pt等），以此来提高催化剂对太阳光的吸收效率。其实不仅仅是TiO2，大多数金属氧化物都具有较宽的带隙，比如ZnO(3.4eV)[34],Ga2O3(4.5eV)[35],Al2O3(8.8eV)[36]等，因此金属氧化物在用来做光催化的同时往往都需要掺杂一些别的元素来进行调节，改变材料的电子结构[37]。图1.2TiO2光解水原理图[32,33]。与此同时，与氧元素同主族的金属硫化物在光催化性能上的研究也引起了人们的注意，其中以CdS和MoS2是硫化物在光催化领域应用中最具有代表性的两种材料。这两种材料在实验上制备简单、稳定存在，而且带隙可以调节，当其由多层结构变为单层结构时，带隙增宽，其相应的化学性质、电子结构也会发生改变。值得一提的是，金属硫化物与金属氧化物相比，带隙偏小一点，CdS带隙大约2.4eV，被认为是光解水领域的优秀材料[38,39]。而MoS2带隙2.0eV，是一个典型的层状化合物，层内是以微弱的范德华力结合在一起的，每个单元是“S-Mo-S”的三明治结构。虽然MoS2化学结构稳定，具有合适的光解水的带隙，但是分离开的电子空穴极易复合，载流子的迁移率也相对较弱，所以在光解水领域的应用并不是很理想[40-42]。1.2.2氮化物与氮碳化物（）氮化物中N的电子轨道与金属氧化物中氧的电子轨道相似，N的轨道能量
第一章绪论7图1.3部分半导体的CBM/VBM图[61]。（2）载流子迁移率光催化剂在吸收太阳光子的能量形成电子空穴对之后，由于电子的热运动，此时光催化剂处于一个亚稳态，光生电子在运动和输运的过程中很容易再跃迁回价带，并与空穴复合，从而制约光催化的进程。所以加速光生载流子的迁移效率，激发电子-空穴的快速分离是提高太阳能转换效率的另一重要手段[62]。在我们之前提到的光催化材料中，石墨烯一直认为是比较有前途的二维非金属光催化材料。石墨烯的优势在于费米面附近的狄拉克锥形的能带结构允许其具有超高的载流子迁移率，它的载流子迁移率高达106ms-1，是目前发现的光催化材料中具有最高迁移率的材料[63,64]。而对于石墨化碳氮化物（g-C3N4），尽管它在带隙、光吸收等方面都符合光解水制氢的要求，可惜的是，它的电子和空穴的复合率太高，以至于制氢的效率极低，所以在光催化制氢方面仍面临着巨大的挑战。为了提高g-C3N4的载流子迁移率，科研人员通过掺杂或者构造异质结构来改变其的电子结构。Chen等人通过构造环形结构，在C3N4的基础上引入石墨烯来提高其载流子迁移率。最特别的是，通过连续的π共轭键无缝拼接平面内具有类似芳香结构的二维材料，如石墨化碳环截面，可以有效地调节能带结构和电子传输特性，从而使平面内电子空穴快速分离和传输[65,66]。（3）氧化/还原反应能垒光解水是一个升高能垒的反应，即吸热反应（>0），理论上我们只要考虑带隙方面符合光解水的要求即可，可是考虑到热力学方面光解水是两个半反应，每个半反应都有反应能垒，所以就要求Δ<，Δ<。因此带隙除了要覆
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent Progress on Visible Light Responsive Heterojunctions for Photocatalytic Applications[J]. Songcan Wang,Jung-Ho Yun,Bin Luo,Teera Butburee,Piangjai Peerakiatkhajohn,Supphasin Thaweesak,Mu Xiao,Lianzhou Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(01)
[2]提高光催化剂光解水制氢效率的方法概述[J]. 胡建强. 化工技术与开发. 2015(05)
本文编号：3084635
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3084635.html
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