基于TMT的光催化分解水材料设计及产氢性能的研究
发布时间：2021-09-07 21:35
面对化石能源的过度消耗和不断增长的能源需求,开发可持续能源具有至关重要的作用。利用光催化技术将太阳能转化为化学能是一种缓解能源短缺问题的有效途径。氢气具有高能量密度和环境友好的特性,因而以氢气为能源载体存储太阳能被认为是理想的光-化学能转换方式。目前单一的光催化材料普遍存在反应速率低的缺点,很难实现太阳能高效转化,制备高活性半导体光催化剂是其进一步发展的关键所在。本论文主要围绕光催化材料金属有机共聚物Cd3（C3N3S3）2[可简写成Cd3（TMT）2]及其衍生物CdS作为基体来开展研究,围绕如何提高硫化物的电荷分离效率做了以下工作:（1）利用一步溶剂热法构建了Cd3（TMT）2/g-C3N4异质结光催化剂。通过XRD和XPS等表征,证明了Cd3（TMT）2/g-C3N4<...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体光催化反应基本原理示意图
第1章绪论4被激发到导带（CB）中大多数电子很快退激发，再次返回价带（VB）中，与价带（VB）上的空穴发生复合，另外一部分光生电子和空穴在未退激发前迅速转移到表面的活性位点，分别去诱导析氢和析氧反应的发生，光生电子能够还原水中的H+成为H2，光生空穴将水分子氧化得到O2。图1-2光催化分解水制氢的示意图[12]Figure1-2Photocatalyticdecompositionofwatertoproducehydrogen[12]从图1-2中明显看出，水分解的反应过程主要包括以下五个反应过程：分别是（a）光子能量的吸收；（b）表（界）面处的电荷转移；（c）光催化剂表面的电子和空穴与吸附的分子诱导氧化还原反应的发生；（d）化学物质的吸附，解吸和质量扩散；（e）电荷重组的过程[12]。1.2.3光催化反应的模式受到能源危机的严峻挑战，开发新能源技术已迫在眉睫。自1972年Fujishima和Honda等发现在TiO2电极上光照后产生电流信号，光催化技术正式拉开了帷幕。此后，Inoue等[32]人发现通过相似的装置，能够将水中的二氧化碳催化转化为有机化学物质。Grazel等[33]人发现经过表面修饰的二氧化钛颗粒在不存在偏压的状况下，同样能够进行分解水反应。Vandamme等[34]人发现将借助光辅助的水分解过程可从固-液界面发展到水蒸气-二氧化钛的气-固界面上。随着光催化剂的用途的丰富多样性，其反应模式和反应类型也逐渐成为人们研究的热点。光催化反应的模式大体上主要分为两种，一种是基于光电极的光电催化反应，另外一种是基于固体粉末的半导体光催化材料。光电化学反应是将光催化材料通过电泳或者旋涂的方法沉积在某种导电基底上（常见的如FTO、ITO、钛片以及坦片等），亦可在制备光催化剂的过程中直接将导电基底浸没在含有水或者其它有机
法得到目标电极。然后将光催化材料制备的目标电极通过合适的外加电压以及适当功率下的光源照射，根据样品自身的特性选择在光电化学反应池中加入不同pH值的电解质溶液，进而在电极表面诱导氧化还原反应的发生。粉体光催化剂的最大的反应优势在于粉末催化剂在溶液中具有很好的分散性，并增大了与反应溶液的接触面积，利于光谱的收割，对于将来的规模化的生产创造了有利条件。Wang等[35]人利用以上二者反应的结合优势，拓展了新的反应形式，将粉末催化剂沉积在导电基底上，展现出优异的催化性能。以上三种光催化反应的模式如图1-3所示。图1-3三种光催化反应模式，(a)光电化学分解水制氢，(b)粉末光催化剂进行有机污染物的降解、还原CO2制备CH4及分解水析氢，(c)双功能粉末光催化剂分解水析氢Figure1-3Threephotocatalyticreactionmodes,(a)photoelectrochemicaldecompositionofwatertoproducehydrogen,(b)powderphotocatalystfordegradationoforganicpollutants,reductionofCO2toproduceCH4andwatersplittingforhydrogenevolution,(c)dualfunctionpowderphotocatalystforwatersplitting催化反应主要是基于氧化还原的过程进行的，可根据我们所需要的产物设计不同的反应历程。在光催化分解水反应过程中，我们的总目标是实现全分解水，即达到既能高效的产氢又能同时满足能够产氧的过程，得到的产物最佳H2：O2之间的分子比为2：1。截止目前，由于能够实现全解水的半导体分解水材料种类比较匮乏且效率仍然较低，半反应在光催化领域发展的过程中取得了长足的进展。半反应也可简单的理解为光催化材料仅发生氧化或者还原反应，得到的最终产物是氢气或者氧气。在测试过程中为了抑制电子和空穴的复合，在半反应测试过程中我们通常会在反应溶液中加入定量的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]双功能S-型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂驱动人工碳循环（英文）[J]. 谢权,何婉楣,刘升卫,李传浩,张金锋,王保强. Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
本文编号：3390286
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体光催化反应基本原理示意图
第1章绪论4被激发到导带（CB）中大多数电子很快退激发，再次返回价带（VB）中，与价带（VB）上的空穴发生复合，另外一部分光生电子和空穴在未退激发前迅速转移到表面的活性位点，分别去诱导析氢和析氧反应的发生，光生电子能够还原水中的H+成为H2，光生空穴将水分子氧化得到O2。图1-2光催化分解水制氢的示意图[12]Figure1-2Photocatalyticdecompositionofwatertoproducehydrogen[12]从图1-2中明显看出，水分解的反应过程主要包括以下五个反应过程：分别是（a）光子能量的吸收；（b）表（界）面处的电荷转移；（c）光催化剂表面的电子和空穴与吸附的分子诱导氧化还原反应的发生；（d）化学物质的吸附，解吸和质量扩散；（e）电荷重组的过程[12]。1.2.3光催化反应的模式受到能源危机的严峻挑战，开发新能源技术已迫在眉睫。自1972年Fujishima和Honda等发现在TiO2电极上光照后产生电流信号，光催化技术正式拉开了帷幕。此后，Inoue等[32]人发现通过相似的装置，能够将水中的二氧化碳催化转化为有机化学物质。Grazel等[33]人发现经过表面修饰的二氧化钛颗粒在不存在偏压的状况下，同样能够进行分解水反应。Vandamme等[34]人发现将借助光辅助的水分解过程可从固-液界面发展到水蒸气-二氧化钛的气-固界面上。随着光催化剂的用途的丰富多样性，其反应模式和反应类型也逐渐成为人们研究的热点。光催化反应的模式大体上主要分为两种，一种是基于光电极的光电催化反应，另外一种是基于固体粉末的半导体光催化材料。光电化学反应是将光催化材料通过电泳或者旋涂的方法沉积在某种导电基底上（常见的如FTO、ITO、钛片以及坦片等），亦可在制备光催化剂的过程中直接将导电基底浸没在含有水或者其它有机
法得到目标电极。然后将光催化材料制备的目标电极通过合适的外加电压以及适当功率下的光源照射，根据样品自身的特性选择在光电化学反应池中加入不同pH值的电解质溶液，进而在电极表面诱导氧化还原反应的发生。粉体光催化剂的最大的反应优势在于粉末催化剂在溶液中具有很好的分散性，并增大了与反应溶液的接触面积，利于光谱的收割，对于将来的规模化的生产创造了有利条件。Wang等[35]人利用以上二者反应的结合优势，拓展了新的反应形式，将粉末催化剂沉积在导电基底上，展现出优异的催化性能。以上三种光催化反应的模式如图1-3所示。图1-3三种光催化反应模式，(a)光电化学分解水制氢，(b)粉末光催化剂进行有机污染物的降解、还原CO2制备CH4及分解水析氢，(c)双功能粉末光催化剂分解水析氢Figure1-3Threephotocatalyticreactionmodes,(a)photoelectrochemicaldecompositionofwatertoproducehydrogen,(b)powderphotocatalystfordegradationoforganicpollutants,reductionofCO2toproduceCH4andwatersplittingforhydrogenevolution,(c)dualfunctionpowderphotocatalystforwatersplitting催化反应主要是基于氧化还原的过程进行的，可根据我们所需要的产物设计不同的反应历程。在光催化分解水反应过程中，我们的总目标是实现全分解水，即达到既能高效的产氢又能同时满足能够产氧的过程，得到的产物最佳H2：O2之间的分子比为2：1。截止目前，由于能够实现全解水的半导体分解水材料种类比较匮乏且效率仍然较低，半反应在光催化领域发展的过程中取得了长足的进展。半反应也可简单的理解为光催化材料仅发生氧化或者还原反应，得到的最终产物是氢气或者氧气。在测试过程中为了抑制电子和空穴的复合，在半反应测试过程中我们通常会在反应溶液中加入定量的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]双功能S-型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂驱动人工碳循环（英文）[J]. 谢权,何婉楣,刘升卫,李传浩,张金锋,王保强. Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
本文编号：3390286
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