氮化物可见光催化剂的改性设计及其分解水产氢研究

发布时间：2021-01-07 15:20

　　光催化分解水产氢技术可利用太阳光的能量将水分解为清洁的能源氢气,将太阳能存储为高密度的能量,因此有望成为人类解决当前面临的能源和环境问题的最佳方法之一。虽然光催化分解水产氢技术经过了40多年的发展,已经取得了较大的进步,但是光催化分解水产氢技术在实际生活中的应用还面临很多问题,最重要的就是当前常见的半导体光催化剂的效率不够高。此外,当前光催化技术成本过高也是限制其发展的主要原因。因此,对半导体光催化材料进行改性使其具有高的光催化性能和开发高效且廉价的材料应用于光催化领域就显得尤为重要。光催化分解水产氢的过程可分为如下几步:（1）半导体光催化剂吸收光的能量产生电子与空穴对;（2）光生电子与空穴发生分离和转移;（3）光生电子在光催化剂的表面与质子发生还原反应产生氢气,同时空穴氧化牺牲剂而被消耗。提升上述过程中任何一步的效率都可以有效地改善半导体的光催化分解水产氢性能,因此较为有效的常用方法如下:（1）通过掺杂等手段调控半导体光催化剂的能带结构使其可以吸收更多能量的光,改善光催化分解水产氢过程中第一步的效率;（2）通过调控结构或者构筑异质结等改善光生电子与空穴的分离和转移过程;（3）通过表面... 

【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：130 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

绝缘体、半导体和导体的能带结构示意图

用于光催化分解水产氢的光催化剂多为半导体材料。半导体(semiconductor)通常是指常温常压下导电性能在绝缘体(insulator)和导体(conductor)之间的材料。材料的导电性通常是由材料自身的导带(conduction band,CB)和价带(valence band,VB)之间的禁带宽度的大小所决定的,禁带宽度又称带隙通常用Eg表示,当电子获得能量从价带跳跃到导带时,电子便能自由移动从而使材料导电。一般常见的金属材料之所以具有较好的导电性就是因为其导带和价带之间的带隙较小,在常温下电子很容易获得能量从价带跳跃到导带;而绝缘体材料的导带与价带之间的能隙较大,从而使电子跃迁较难,使其无法导电;半导体的导带与价带之间的带隙通常介于1 e V到3 e V之间,在绝缘体与导体之间,如图1-5所示。通常,半导体的价带中的电子只有受到足够的外界能量的激发时,才能跃迁转移到其导带上。根据电子的跃迁方式,半导体还可以分为直接带隙半导体和间接带隙半导体。半导体材料可以被具有一定能量的光激发而使其价带的电子获取足够的能量转移到导带,同时在价带位置留下一个带正电的空位,即半导体可以吸收光的能量而被激发产生电子(e-)-空穴(h+)对,然而并不是任意能量的光都能激发半导体而产生电子-空穴对或者任意半导体都能被光激发。通常,只有半导体受到的光照能量E大于其带隙Eg时,半导体光催化剂价带上的电子才可以被激发而发生跃迁转移到其导带上,即光的能量E需满足如下条件:

自然界中光合作用和光催化分解水产氢过程示意图以及吉布斯自由能的变化[5]

【参考文献】：
期刊论文
[1]光催化分解水制氢反应中助催化剂的作用及机理（英文）[J]. 肖楠,李松松,李旭力,戈磊,高旸钦,李宁.  Chinese Journal of Catalysis. 2020(04)
[2]Ni-Mo/LaNi5多孔复合电极的制备及其电催化析氢性能[J]. 王森林,张艺.  物理化学学报. 2011(06)



本文编号：2962792