【摘要】：眾所周知,氫氣被認(rèn)為是未來最理想的能源載體。因而,光催化水制氫成為了目前太陽能儲存和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中的重要課題。在眾多的光催化劑中,氧化鋅因其具有與二氧化鈦相似的能帶結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)、電子遷移率高、易于結(jié)晶和各向異性生長等特點被認(rèn)為是一種有前途的光催化劑,有望在太陽能轉(zhuǎn)換和光催化制氫領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。特別是,具有高長徑比的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)因其具有較顆粒狀納米氧化鋅更為優(yōu)異的電子傳輸性能和更大的比表面積等特點更加引入注目。然而氧化鋅是一個寬帶隙半導(dǎo)體,只在紫外光區(qū)有吸收,這限制了其實際應(yīng)用。目前的研究表明,染料敏化被認(rèn)為是拓寬光催化劑工作波長的最有效的方法之一因而,染料敏化的、具有高長徑比的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)有可能是一個高效的可見光催化劑。并且利用它可能解決納米材料固定化所帶來的問題,如比表面積下降、光催化活性降低等。基于以上思路,本文構(gòu)建了一系列染料敏化的氧化鋅納米棒陣列(“納米草坪”),并對該催化體系的光催化制氫活性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探索。主要內(nèi)容如下：(1)對氧化鋅“納米草坪”的低溫水熱制備技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。探討了水熱溫度、水熱時間、前驅(qū)體濃度等因素對氧化鋅“納米草坪”的形貌、晶體結(jié)構(gòu)等的影響。最終制得了具有高長徑比的,結(jié)構(gòu)均一且穩(wěn)定的氧化鋅“納米草坪”。(2)使用曙紅Y作為敏化劑,構(gòu)建了曙紅Y敏化的氧化鋅“納米草坪”。在此基礎(chǔ)上,以三乙醇胺(TEOA)作為犧牲劑,可見光的照射下,考察了曙紅Y敏化的氧化鋅“納米草坪”的光催化制氫活性。同時通過光譜學(xué)手段和光電化學(xué)手段對染料特性和制氫機(jī)理進(jìn)行了初步研究。實驗結(jié)果表明,該復(fù)合催化體系具有較高的可見光催化活性,是一種高效的可見光催化制氫催化劑。其最大制氫速率達(dá)到了0.46 Lm-2 h-1。此外,研究結(jié)果還表明,通過構(gòu)建染料敏化的氧化鋅“納米草坪”可以有效地解決納米材料固定化所帶來的光催化活性下降的問題。與曙紅Y敏化的ZnO納米粒子膜相比,曙紅Y敏化的氧化鋅“納米草坪”的光催化制氫活性是其2.26倍。(3)使用曙紅Y和玫瑰紅作為共敏化劑,構(gòu)建了可見光催化活性更高的染料敏化氧化鋅“納米草坪”。詳細(xì)探究了兩種染料的混合比例、染料濃度等因素對其光催化制氫活性的影響,獲得了制氫性能最佳的光催化體系。實驗結(jié)果表明,曙紅Y和玫瑰紅之間存在著較強(qiáng)的協(xié)同作用。在相同的實驗條件下,共敏化體系相對于單敏化體系表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。共敏化的氧化鋅“納米草坪”的產(chǎn)氫速率最高可達(dá)0.52 L m-2 h-1,分別是同樣反應(yīng)條件下曙紅Y單敏化體系制氫速率和玫瑰紅單敏化體系制氫速率的230%和158%。此外,還利用光譜學(xué)及電化學(xué)手段對其協(xié)同作用機(jī)制進(jìn)行了初步探討。結(jié)果表明,該協(xié)同作用主要源自曙紅Y和玫瑰紅之間的能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)。
[Abstract]:As we all know, hydrogen is regarded as the most ideal energy carrier in the future. Therefore, photocatalytic hydrogen production from water has become an important subject in the field of solar energy storage and conversion. Among many photocatalysts, zinc oxide is considered to be a promising photocatalyst because of its similar band structure and photovoltaic properties as titanium dioxide, high electron mobility, easy crystallization and anisotropic growth. It is expected to be widely used in the field of solar conversion and photocatalytic hydrogen production. In particular, ZnO nanostructures with high aspect ratio have attracted more attention because of their better electron transport performance and larger specific surface area than granular ZnO nanostructures. However, zinc oxide is a wide band gap semiconductor, only absorbed in the ultraviolet region, which limits its practical application. Recent studies have shown that dye sensitization is considered to be one of the most effective methods to broaden the working wavelength of photocatalyst. Therefore, the dye sensitized ZnO nanostructure with high aspect ratio may be an efficient visible light catalyst. It may be used to solve the problems caused by the immobilization of nanomaterials, such as the decrease of specific surface area and the decrease of photocatalytic activity. Based on the above ideas, a series of dye sensitized ZnO nanorod arrays ("nano-lawn") were constructed, and the photocatalytic activity of the catalytic system for hydrogen production was systematically explored. The main contents are as follows: (1) the preparation technology of zinc oxide "nanometer lawn" at low temperature was studied systematically. The effects of hydrothermal temperature, hydrothermal time and precursor concentration on the morphology and crystal structure of ZnO "nano-lawn" were discussed. Finally, zinc oxide "nanometer lawn" with high aspect ratio, uniform structure and stable structure was prepared. (2) using eosin Y as sensitizer, the "nanometer lawn" of zinc oxide sensitized by eosin Y was constructed. On this basis, the photocatalytic hydrogen production activity of eosin Y sensitized zinc oxide "nano-lawn" was investigated by using triethanolamine (TEOA) as a sacrificial agent under visible light irradiation. At the same time, the characteristics of dyes and the mechanism of hydrogen production were studied by spectroscopic and photochemical methods. The experimental results show that the complex system has high visible light catalytic activity and is an efficient visible light catalyst for hydrogen production. The maximum hydrogen production rate is 0.46 Lm-2 h-1. In addition, the results show that the problem of photocatalytic degradation caused by immobilization of nano-materials can be effectively solved by constructing "nano-lawn" of dye sensitized zinc oxide. Compared with eosin Y sensitized ZnO nanoparticles film, the photocatalytic activity of eosin Y sensitized zinc oxide "nano-lawn" was 2.26 times higher than that of eosin Y sensitized ZnO nanoparticles. (3) eosin Y and rose red were used as co-sensitizers. A dye sensitized zinc oxide "nanometer lawn" with higher visible light catalytic activity was constructed. The effects of the mixing ratio of two dyes and the concentration of dyes on the photocatalytic activity of hydrogen production were investigated in detail. The best photocatalytic system for hydrogen production was obtained. The experimental results show that there is a strong synergy between eosin Y and rose red. Under the same experimental conditions, the co-sensitized system has obvious advantages over the single-sensitized system. The highest hydrogen production rate of co-sensitized zinc oxide "nano-lawn" was 0.52 L m-2 h-1, which was 230% and 158% of that of eosin Y single sensitized system and rose red monosensitized system, respectively. In addition, the mechanism of synergistic action was preliminarily discussed by spectroscopic and electrochemical methods. The results showed that the synergistic effect was mainly due to the energy transfer effect between eosin Y and rose red.
【學(xué)位授予單位】：上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O643.36;TQ116.2

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本文編號：2425056