本文關鍵詞：用于近紅外光驅動分解水的碳基光催化劑的需求導向性設計與可控構筑

  更多相關文章： 光催化 近紅外 碳基材料 制氫

【摘要】：為了應對日益增長的能源危機和環(huán)境污染問題,利用太陽能光催化分解水制氫具有成為清潔和可再生能源的巨大潛力。半導體光催化分解水制氫是將低密度的太陽能轉化為高密度的化學能,對于人類的可持續(xù)發(fā)展具有重要的推動作用,吸引了眾多研究者的目光,已成為科學研究的前沿熱點,具有重大的社會現(xiàn)實意義。迄今為止,大多數產氫光催化體系都難以利用占據超過40%太陽光能量的近紅外光,已經成為太陽光應用領域的主要局限之一。已報道的少數具有紅外響應的光催化產氫材料,大都依賴于貴金屬、染料等體系,存在著有毒、成本高、容易光腐蝕等局限性,很大程度上阻礙了其實際應用�；谝陨习l(fā)展現(xiàn)狀,本文的研究目光聚焦于低成本、長壽命、環(huán)境友好的,具有良好近紅外光催化活性的復合材料,以“如何利用廉價易得的原料制備全光譜太陽能響應的分解水制氫光催化體系”這一重大科學問題的需求為導向,有目的、有計劃地對目標光催化體系進行組分與結構設計,依照設計有序地構筑光催化體系所需要的復合材料,并對材料的合成路徑和反應條件進行精確調制。本文以自然中含量充足、毒性低且易處理、形態(tài)與功能變化豐富的碳基光催化劑(碳量子點、石墨相氮化碳、石墨烯)為構筑單元,致力于合成結構可控的復合光催化體系�；谏限D換發(fā)射、多步激發(fā)Z型體系等多種機理,實現(xiàn)從紫外到近紅外的寬光譜太陽能驅動的分解水制氫,為太陽能的有效化學利用提供新的途徑和啟發(fā)。第一部分,由于碳量子點(CQDs)具有合成簡便、環(huán)境友好、吸收截面大、上轉換發(fā)射波長可調等優(yōu)勢,本身擁有良好光催化產氫活性的石墨相氮化碳納米片(CNNS)的紫外-可見(UV-Vis)吸收光譜和CQDs的上轉換發(fā)射光譜能夠部分發(fā)生重疊,構成光譜耦合,進而彌補CNNS由于帶隙過寬而無近紅外響應的缺陷,實現(xiàn)從紫外光到近紅外光的寬波段光催化響應。進一步地,CQDs相對于CNNS具有吸電子效應,可以與CNNS形成電子耦合,從而極大地促進能量傳遞和電荷轉移。基于此,本文通過一步水熱法合成了一種新穎的無金屬組分的光催化劑CNNS/CQDs,具有近紅外光誘導產氫活性。其優(yōu)異的光催化性能來源于CNNS與CQDs的光譜耦合和電子耦合的協(xié)同作用,同時改善了寬波段吸收與光誘導電荷分離。除了促進全光與可見光光催化活性外,首次實現(xiàn)了完全不含金屬組分的光催化劑用于近紅外光驅動還原水產氫。第二部分,Z型體系是對自然界光合作用的仿生體系,基于兩步激發(fā)原理,使得兩種光催化材料在不需要滿足熱力學帶寬的前提下分別實現(xiàn)水的光氧化和光還原,可以解決單一半導體難以直接利用低能量光子完成水的全分解的問題。目前已報道的Z型光解水催化劑絕大多數都是由紫外或者可見光響應的材料構成,無法在近紅外條件下釋放出產氫活性。本文創(chuàng)造性地將具有窄帶隙的部分還原石墨烯(PRG)和具有中窄帶隙的W12PO38.5(WPO)復合氧化物通過煅燒法一步復合,使二者緊密結合并通過合適的導帶-價帶位置構成Z型體系的還原端和氧化端。與此同時,將石墨烯中的含氧取代基部分脫除并將磷鎢酸中的六價鎢部分還原為五價,五價鎢可以充當全固態(tài)直接Z型光解水體系的電子中介體。該工作首次實現(xiàn)了近紅外條件下的Z型體系光催化純水產氫。
【關鍵詞】：光催化 近紅外 碳基材料 制氫
【學位授予單位】：山東師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36;O644.1
【目錄】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第一章 緒論12-38
• 1 引言12
• 2 半導體光催化反應原理與應用12-14
• 2.1 半導體光催化反應原理12-13
• 2.2 半導體光催化反應的應用13-14
• 3 石墨烯基光催化材料概述14-18
• 3.1 石墨烯作為電子受體15-16
• 3.2 石墨烯作為助催化劑16-17
• 3.3 石墨烯作為光敏劑17
• 3.4 石墨烯作為p-n異質結中的p型或n型半導體17-18
• 4 石墨相氮化碳（G-C_3N_4）18-23
• 4.1 石墨相氮化碳的制備方法20
• 4.2 石墨相氮化碳的應用20-23
• 5 近紅外光催化研究現(xiàn)狀23-26
• 5.1 CQDs的上轉換性質24-25
• 5.2 CQDs的光催化應用25
• 5.3 CQDs的光電催化分解水應用25-26
• 6 論文選題與主要研究內容26-28
• 參考文獻28-38
• 第二章 無金屬催化劑CNNS/CQDS用于近紅外驅動還原水產氫38-56
• 1 引言38
• 2 催化劑設計構思38-39
• 3 實驗部分39-42
• 3.1 實驗試劑39
• 3.2 實驗儀器39-40
• 3.3 催化劑的制備（圖 2-1）40-41
• 3.4 光催化活性測試41-42
• 3.5 外量子效率（EQE）測試42
• 4 結果與討論42-47
• 4.1 形貌及組成分析42-43
• 4.2 結構表征43-47
• 5 催化劑性能研究47-51
• 5.1 光催化性能測試47-48
• 5.2 光催化機理研究48-51
• 6 結論51-52
• 參考文獻52-56
• 第三章 近紅外驅動Z-型體系光催化分解水研究56-70
• 1 引言56-57
• 2 催化劑設計構思57-58
• 3 實驗部分58-61
• 3.1 實驗試劑58
• 3.2 實驗儀器58-59
• 3.3 催化劑的制備59
• 3.4 光催化活性測試59-60
• 3.5 光電測試60-61
• 4 結果與討論61-67
• 4.1 材料的結構表征61-65
• 4.2 光催化產氫性能測試65-67
• 5 結論67-68
• 參考文獻68-70
• 第四章 總結與展望70-72
• 1 總結70
• 2 展望70-72
• 碩士期間所獲科研成果及參與課題72-73
• 致謝73

【相似文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

1 ;光催化劑及其應用[J];大眾標準化;2002年10期

2 ;納米固體光催化劑[J];機電設備;2003年05期

3 ;炭與TiO_2光催化劑的復合及協(xié)同作用研究進展[J];中國光學與應用光學文摘;2004年06期

4 唐劍文;吳平霄;葉代啟;黨志;曾少雁;劉云;王菲菲;謝先法;;鈦柱撐膨潤土光催化劑的制備及其催化性能的研究[J];地質學報;2006年04期

5 王勇;張軍;楊青林;郭林;嵇天浩;鄧元;江雷;;炭與TiO_2光催化劑復合研究進展[J];材料導報;2006年S2期

6 劉子全;;磁載TiO_2光催化劑的進展[J];長春理工大學學報(高教版);2007年01期

7 李景印;韓忠宵;李朝陽;王輝;李子成;;碳納米管改性TiO_2光催化劑的制備及性能[J];化學研究;2008年01期

8 孫楊;李曉丹;楊梅;邵忠財;蘇會東;洪營;;TiO_2光催化劑的研究進展[J];渤海大學學報(自然科學版);2008年02期

9 羅磊;李志光;涂飛躍;李瓊;;TiO_2光催化劑的負載技術研究進展[J];化工科技;2008年04期

10 臧丹煒;楊亞君;;納米TiO_2光催化劑的制備及應用[J];天津化工;2009年05期

中國重要會議論文全文數據庫 前10條

1 朱永法;;高能效高活性光催化劑的研究[A];第六屆全國環(huán)境催化與環(huán)境材料學術會議論文集[C];2009年

2 陳紅霞;;光催化劑的制備及其應用[A];第七屆全國工業(yè)催化技術及應用年會論文集[C];2010年

3 周秀文;;納米級TiO_2光催化劑的性能及應用前景[A];四川省環(huán)境科學學會2003年學術年會論文集[C];2003年

4 傳秀云;;納米組裝天然多孔礦物作為TiO_2光催化劑載體應用研究[A];2004年全國太陽能光化學與光催化學術會議論文集[C];2004年

5 傳秀云;;天然多孔礦物作為TiO_2光催化劑載體應用研究[A];中國礦物巖石地球化學學會第十屆學術年會論文集[C];2005年

6 楊海峰;張?zhí)O;曹陽;;TiO_2光催化劑改性的研究進展[A];2009中國功能材料科技與產業(yè)高層論壇論文集[C];2009年

7 何雨洋;王家強;;以生物粉末為模板制備高效TiO_2光催化劑[A];第十五屆全國分子篩學術大會論文集[C];2009年

8 吳保朝;丁正新;付賢智;員汝勝;;TiO_2/M_xO_y/SiO_2纖維態(tài)光催化劑的制備及催化性能研究[A];第七屆全國催化劑制備科學與技術研討會論文集[C];2009年

9 劉秀華;;貴金屬元素摻雜TiO_2光催化劑[A];中國工程物理研究院科技年報(2009年版)[C];2010年

10 秦祖贈;劉自力;楊克迪;文衍宣;;含銦、鉍可見光催化劑的研究進展[A];第七屆全國工業(yè)催化技術及應用年會論文集[C];2010年

中國重要報紙全文數據庫 前10條

1 本報記者 董小雷;環(huán)保技術新寵——光催化劑[N];中國化工報;2002年

2 蔡忠仁;高效光催化劑抑菌防霉[N];中國化工報;2011年

3 ;納米固體光催化劑獲發(fā)明專利[N];今日信息報;2003年

4 蔡忠仁;納米固體光催化劑獲發(fā)明專利[N];中國化工報;2003年

5 羅�；�;住友化工開發(fā)出可見光型氧化鈦光催化劑[N];中國有色金屬報;2003年

6 記者 吳苡婷;書寫“水變氫”的傳奇[N];上�？萍紙�;2011年

7 武文;二氧化鈦自潔玻璃大市場正在形成[N];中華建筑報;2002年

8 ;日本開發(fā)出一種高效分解水的新型催化劑[N];中國高新技術產業(yè)導報;2002年

9 胡連榮;日本高速路的立體環(huán)保舉措[N];中國環(huán)境報;2003年

10 虹影;日本開發(fā)降溫新建材[N];中國房地產報;2004年

中國博士學位論文全文數據庫 前10條

1 滕鳳;TiO_2光催化劑的改性研究及其器件化應用[D];蘭州大學;2015年

2 董淑英;鋅、鉍系/石墨烯可見光催化劑的制備及其性能研究[D];河南師范大學;2014年

3 董紅軍;IVA和VB族銀基復合氧化物的光催化活性及穩(wěn)定性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

4 劉洪燕;金屬納米粒子表面等離子體光催化劑的制備、表征和光催化產氫性能研究[D];華南理工大學;2015年

5 曾磊;強降解VOC納米TiO_2光催化劑的制備及機理研究[D];華中科技大學;2015年

6 朱艷艷;結構調控對半導體光催化活性的影響研究[D];清華大學;2015年

7 朱英明;納米二氧化鈦基光催化劑的改性和光催化性能研究[D];天津大學;2015年

8 孫圣楠;金屬與非金屬改性TiO_2/ASC光催化劑的制備與NO氧化表面光電子行為研究[D];中國海洋大學;2015年

9 吳偉明;硝基苯類有機物的光催化加氫及其機理研究[D];福州大學;2014年

10 張燕輝;石墨烯基復合光催化劑的制備及其催化性能的探索研究[D];福州大學;2014年

中國碩士學位論文全文數據庫 前10條

1 黃艷;硫化物摻雜TiO_2光催化劑的合成及性質研究[D];西北大學;2011年

2 李亞男;幾種水生植物葉和幾種植物粉模板TiO_2光催化劑的合成及其性能研究[D];云南大學;2012年

3 饒硯迪;三元光催化劑TiO_2-Ca(OH)_2-Graphite的設計、制備及在太陽光下降解染料廢水的研究[D];燕山大學;2015年

4 劉曉霞;尖晶石型復合氧化物的制備及其光催化性能的研究[D];華南理工大學;2015年

5 趙成;聚苯胺負載氧化亞銅磁性可見光催化劑的制備及催化性能研究[D];天津理工大學;2015年

6 馬帥華;復合型硫化物光催化劑催化還原CO_2的性能研究[D];天津理工大學;2015年

7 王歡;Ag@AgX插層復合物光催化劑的制備及活性研究[D];河北聯(lián)合大學;2014年

8 馬春紅;上轉換發(fā)光劑/TiO_2復合膜的制備及其光催化降解污染物同時制氫的研究[D];遼寧大學;2015年

9 王平;新型光催化劑及光降解塑料薄膜的制備[D];鄭州大學;2015年

10 黃民忠;可面對船舶污水的稀土上轉換納米復合材料的研究[D];集美大學;2015年

，

本文編號：985979