【摘要】：光催化分解水制氫是一種利用太陽能轉(zhuǎn)化制潔凈氫能的重要方式,其中利用粉末半導(dǎo)體光催化分解水制氫因其廉價(jià)、便捷,適合大規(guī)模生產(chǎn),受到眾多研究者的青睞。半導(dǎo)體上光催化過程的發(fā)生主要包括三個(gè)步驟:光吸收,電荷分離和表面催化轉(zhuǎn)化,其中光吸收范圍決定了該體系太陽能到氫能的理論轉(zhuǎn)化效率。光催化劑捕光范圍越寬理論上可以獲得更高的太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率,因此寬光譜捕光催化劑分解水制氫的研究受到世界各國科學(xué)家的高度重視,已成為本世紀(jì)這一領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。然而,光催化劑捕光范圍拓寬要求半導(dǎo)體禁帶寬度變小,導(dǎo)致光生電荷分離的驅(qū)動(dòng)力下降,因此可見光驅(qū)動(dòng)的分解水制氫研究相比紫外光更為挑戰(zhàn)。本論文圍繞寬光譜響應(yīng)鉭基光催化劑分解水制氫這一主題展開,一方面致力于設(shè)計(jì)合成新型寬光譜響應(yīng)鉭基光催化劑;另一方面對(duì)應(yīng)用潛力巨大的寬光譜響應(yīng)鉭基光催化劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控,提升其電荷分離以及光催化性能。取得以下主要研究成果:(1)設(shè)計(jì)合成了一種新型氮摻雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物光催化劑Ba(Mg_(1/3)Ta_(2/3))O_(3-x)N_y(簡寫為BMTON),其吸收帶邊由紫外區(qū)域拓寬至560nm,表現(xiàn)出帶帶激發(fā)的可見光吸收特性。理論計(jì)算數(shù)據(jù)表明前驅(qū)體氧化物Ba(Mg_(1/3)Ta_(2/3))O_3(BMTO)中Mg原子和Ta原子的電負(fù)性差異,使得Ta-O八面體結(jié)構(gòu)中Ta-O鍵鍵長變長,鍵強(qiáng)減弱,有助于BMTO中氮原子的有效摻入和均勻分布,從而實(shí)現(xiàn)了吸收帶邊的大幅度紅移。在相應(yīng)助催化劑和犧牲試劑存在條件下,BMTON表現(xiàn)出了可見光驅(qū)動(dòng)的放氫和放氧的雙功能性,是一步法分解水候選材料。(2)針對(duì)氮摻雜氧化物空氣中熱穩(wěn)定性差,電荷分離能力低的科學(xué)難題,采用一鍋氮化策略將氮摻雜氧化物BMTON和Ta_3N_5相結(jié)合,制備了一系列異質(zhì)結(jié)光催化劑BMTON/Ta_3N_5,其吸收帶邊隨Mg/Ta摩爾比變化從560 nm到600 nm連續(xù)可調(diào)。高分辨透射電鏡結(jié)果表明異質(zhì)結(jié)樣品內(nèi)部存在緊密的界面接觸,能帶結(jié)構(gòu)表征進(jìn)一步確認(rèn)該異質(zhì)結(jié)屬于II型異質(zhì)結(jié),有助于促進(jìn)光生電荷空間分離。阻抗譜和時(shí)間分辨紅外光譜數(shù)據(jù)確認(rèn)了異質(zhì)結(jié)光催化劑的電荷分離能力相較單體明顯提高�？梢姽庹丈湎�,異質(zhì)結(jié)光催化劑的質(zhì)子還原活性相較單體BMTON或是Ta_3N_5提高了將近20倍。在此基礎(chǔ)上,利用異質(zhì)結(jié)作為產(chǎn)氫光催化劑,WO_3作為產(chǎn)氧光催化劑,IO3-/I-作為氧化還原離子對(duì),構(gòu)建了可見光驅(qū)動(dòng)的Z-scheme全分解水體系,實(shí)現(xiàn)了太陽能到氫能的有效轉(zhuǎn)化。(3)Ta_3N_5是一種捕光至600nm左右的較為理想的光催化分解水制氫材料,但缺陷多,電荷分離差,極大地限制了Ta_3N_5光催化分解水的性能提升。考慮到對(duì)角線規(guī)則,Sc原子和Ta原子性質(zhì)相近,離子半徑相似,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在Ta_3N_5材料制備過程中原位引入Sc物種,并系統(tǒng)考察了Sc修飾對(duì)Ta_3N_5晶體結(jié)構(gòu)和光催化性能的影響。表征數(shù)據(jù)表明Sc離子可有效取代Ta_3N_5中部分Ta離子,導(dǎo)致Ta_3N_5中低價(jià)鉭物種濃度降低,有效抑制光生載流子復(fù)合,提升電荷分離能力,進(jìn)而提高Ta_3N_5光催化水氧化和還原活性。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ426;TQ116.2
【圖文】：

氮（氧）化合物的紫外可見漫反射光譜圖[47]。is diffuse reflectance spectra for (oxy)nitrides cont

該材料表現(xiàn)出了650 nm的寬光譜捕光能力（圖1.7），并且在可見光照射下分別能驅(qū)動(dòng)分解水半反應(yīng)，展現(xiàn)出良好的全分解水的潛力應(yīng)用[82]。圖 1.7 樣品 Sr1 xNbO3（x = 0.1, 0.15, 0.2）的紫外可見吸收光譜圖[82]。Figure 1.7 Ultraviolet visible absorbance spectra (converted from diffuse reflectancespectra) for Sr1 xNbO3(x = 0.1, 0.15, 0.2)[82].

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本文編號(hào)：2721660