本文關(guān)鍵詞：可見光分解水制氫高效硫化物復(fù)合催化劑的研究

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【摘要】：利用太陽能分解水制氫是解決能源短缺及環(huán)境污染問題的理想途徑之一,適用于這一途徑的半導(dǎo)體基光催化劑的開發(fā)一直受到人們的廣泛關(guān)注。雖然近年來相關(guān)研究已取得較大進(jìn)展,但催化劑的效率仍然很低,制約著光催化分解水制氫反應(yīng)的發(fā)展。本論文從光催化劑的設(shè)計角度入手,以提高半導(dǎo)體光生載流子分離和傳輸效率為目標(biāo),構(gòu)建了兩種結(jié)構(gòu)較為新穎的硫化物復(fù)合催化劑,它們在可見光分解水制氫反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的量子效率和穩(wěn)定性,甚至可以在無助催化劑的條件下實現(xiàn)高效光催化產(chǎn)氫,具體工作如下:(1)將具有表面等離子效應(yīng)的Au納米粒子鑲嵌于Cd S半導(dǎo)體內(nèi)部(Au@Cd S),以期充分利用Au納米粒子在表面等離子共振條件下所產(chǎn)生的電磁場,達(dá)到提高Cd S光生電子-空穴的分離和傳輸效率的目的。Au@Cd S采用水熱合成的方法制備,10-15 nm的Au粒子相對均勻地分散在Cd S內(nèi)部,需要指出的是穩(wěn)定Au粒子的保護(hù)劑所形成絕緣層可以阻斷界面間的電子傳輸,而并不影響電磁場的能量傳輸。熒光光譜顯示Au@Cd S中光生電子-空穴的效率和壽命明顯高于單純的Cd S催化劑,光催化結(jié)果顯示Au@Cd S在以硫化鈉和亞硫酸鈉為犧牲試劑的可見光產(chǎn)氫反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的催化性能,在不采用其它助催化劑的條件下,Au@Cd S的可見光產(chǎn)氫量子效率達(dá)到12.1%(λ=420nm),明顯優(yōu)于Cd S以及將相同的Au納米粒子擔(dān)載于Cd S表面的催化劑的性能;在擔(dān)載0.1wt%Pt條件下,產(chǎn)氫的量子效率可以提高到45.6%左右,而且在考察的100 h的反應(yīng)時間內(nèi)沒有失活現(xiàn)象發(fā)生,與Cd S催化劑相比,穩(wěn)定性得到了較大提升。(2)將Cd S納米粒子限域生長于相對惰性的介孔Si O2載體表面(Cd S/Si O2),首先采用檸檬酸存在條件下的溶膠-凝膠法制備出粒子分布均一的Cd O/Si O2前驅(qū)體,之后通過在Na2S溶液中陰離子交換的方法在Si O2的介孔孔道內(nèi)獲得Cd S納米粒子,電鏡結(jié)果顯示Cd S的粒子大小在8-10nm左右�？梢姽獯呋a(chǎn)氫結(jié)果顯示在無助催化劑的條件下,Cd S/Si O2的最高產(chǎn)氫量子效率可以達(dá)到42%,顯著優(yōu)于相同條件下塊體Cd S的性能以及文獻(xiàn)報道的無助催化劑條件下Cd S體系催化劑的結(jié)果。熒光光譜結(jié)果顯示Cd S/Si O2中Cd S的粒子表面存在一定量缺陷位,有利于捕獲光生電子,并可能作為光催化產(chǎn)氫的活性中心,發(fā)揮了助催化劑的作用。目前這一策略已推廣到其它金屬硫化物光催化劑制備。綜上,本論文采用兩種策略獲得了光催化產(chǎn)氫性能較高的硫化物半導(dǎo)體催化劑,這些工作將為進(jìn)一步構(gòu)建高效光催化分解水催化劑提供一定借鑒和指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：光催化 硫化鎘 分解水制氫 納米粒子 表面等離子體效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36;TQ116.2
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-65
• 1.1 引言11
• 1.2 光催化分解水基本原理11-15
• 1.2.1 光催化分解水主要過程12-13
• 1.2.2 光催化分解水評價指標(biāo)13-15
• 1.3 半導(dǎo)體光催化劑研究進(jìn)展15-24
• 1.3.1 寬禁帶半導(dǎo)體16-19
• 1.3.2 窄禁帶半導(dǎo)體19-24
• 1.4 提高半導(dǎo)體光催化劑催化效率方法24-37
• 1.4.1 提高吸光性能，，拓展吸光范圍24-27
• 1.4.2 提高電荷傳輸速度及分離效率27-37
• 1.5 本課題的目的和意義37-39
• 參考文獻(xiàn)39-65
• 第二章 實驗部分65-71
• 2.1 主要試劑和原料65-66
• 2.2 實驗儀器66
• 2.3 催化劑的制備66
• 2.4 催化劑的表征方法和測試手段66-68
• 2.4.1 X射線粉末衍射（XRD）66-67
• 2.4.2 紫外可見光譜（UV-vis）67
• 2.4.3 氮吸附脫附實驗（N_2 adsorption-desorption）67
• 2.4.4 掃描電子顯微鏡（SEM）67
• 2.4.5 透射電子顯微鏡（TEM）和高分辨電鏡（HRTEM）67
• 2.4.6 X射線光電子能譜（XPS）67
• 2.4.7 熒光光譜表征（PL）67-68
• 2.4.8 表面光電壓表征（SPV）68
• 2.5 光催化制氫反應(yīng)68-71
• 2.5.1 光催化反應(yīng)裝置68-69
• 2.5.2 Na2S-Na2SO3體系的光催化反應(yīng)69
• 2.5.3 量子效率的計算69-71
• 第三章 表面等離子體Au納米粒子鑲嵌于CdS內(nèi)部對光催化產(chǎn)氫性能及穩(wěn)定性的提高71-89
• 3.1 引言71-72
• 3.2 Au@CdS催化劑的制備72-73
• 3.2.1 Au膠體的制備72
• 3.2.2 Au@CdS催化劑的制備72-73
• 3.3 結(jié)果與討論73-84
• 3.3.1 Au膠體的表征73-74
• 3.3.2 Au@CdS催化劑的形貌結(jié)構(gòu)表征74-76
• 3.3.3 Au@CdS催化劑的光學(xué)性質(zhì)76-77
• 3.3.4 Au@CdS催化劑的光催化性能77-79
• 3.3.5 Au@CdS催化劑的高效光催化性能機理的探索79-84
• 3.4 本章小結(jié)84-86
• 參考文獻(xiàn)86-89
• 第四章 限域生長的CdS無助催化劑高效光催化產(chǎn)氫性能的研究89-109
• 4.1 引言89-90
• 4.2 CdS/SiO_2復(fù)合光催化劑的制備90-91
• 4.2.1 CdO/SiO_2的制備90
• 4.2.2 CdS/SiO_2的制備90-91
• 4.2.3 不同金屬硫化物催化體系的制備91
• 4.3 結(jié)果與討論91-106
• 4.3.1 催化劑形貌結(jié)構(gòu)表征91-94
• 4.3.2 紫外可見漫反射吸收光譜94
• 4.3.3 無助催化劑條件下CdS/SiO_2催化劑的光催化產(chǎn)氫活性94-101
• 4.3.4 CdS/SiO_2催化劑優(yōu)異產(chǎn)氫性能機理探究101-104
• 4.3.5 MS/SiO_2催化劑產(chǎn)氫性能的評測及表征104-106
• 4.4 本章小結(jié)106-107
• 參考文獻(xiàn)107-109
• 結(jié)論與展望109-112
• 1. 結(jié)論109-110
• 2. 展望110-112
• 作者簡歷112-113
• 在學(xué)期間所取得的科研成果113-114
• 致謝114

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