氫能由于具有清潔無污染燃燒值高等特點,成為一種潛在的替代化石燃料的新型能源,因此氫能的開發(fā)與利用受到研究人員廣泛的關(guān)注。光催化分解水制氫技術(shù)是一種獲取氫氣的綠色有效途徑,該技術(shù)可以把低密度的太陽能轉(zhuǎn)化為高密度的氫能,氫能的有效開發(fā)與利用可以緩解人類面臨的環(huán)境污染和能源短缺兩大問題。光催化劑材料的開發(fā)構(gòu)建與選擇是光催化分解水制氫技術(shù)重要的環(huán)節(jié)之一。本文以石墨相氮化碳(g-C_3N_4)為主體材料,對其進行形貌調(diào)控、貴金屬Pt納米顆粒負載并且與SiC復(fù)合,構(gòu)建出了 g-C_3N_4-Pt、g-C_3N_4-SiC和g-C_3N_4-SiC-Pt三種光催化劑材料,并對這三種光催化劑分別進行形貌與結(jié)構(gòu)表征,同時考察其光催化分解水制氫的性能。首先,通過溶膠沉積和焙燒相結(jié)合的方法制備g-C_3N_4-SiC復(fù)合光催化劑,當SiC與g-C_3N_4的質(zhì)量比為5%時,且在500℃下焙燒4 h合成出的g-C_3N_4-SiC復(fù)合光催化劑的光催化活性最高,其在可見光下光催化分解水制氫速率為543.6μmol·h~(-1)·g~(-1),量子效率為 2.52%。其次,在此基礎(chǔ)上采用環(huán)境友好的植物還原溶膠沉積法將貴金屬Pt納米顆粒負載在g-C_3N_4和g-C_3N_4-SiC的表面,分別獲得g-C_3N_4-Pt、g-C_3N_4-SiC-Pt兩種光催化劑。g-C_3N_4-Pt和g-C_3N_4-SiC-Pt光催化劑均展現(xiàn)出良好的可見光光催化活性與穩(wěn)定性,在可見光驅(qū)使下的光催化分解水制氫速率分別為:582.4μmol·h~(-1)·g~(-1)和595.3μmol h~(-1)·g~(-1),平均量子效率分別為:2.70%和2.76%。最后,通過透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)等表征手段都一致證明本實驗所制備的g-C_3N_4是薄層的二維片狀材料,在g-C_3N_4-Pt和g-C_3N_4-SiC-Pt兩種光催化劑中貴金屬Pt納米顆粒均勻地負載到了 g-C_3N_4和g-C_3N_4-SiC的表面且貴金屬Pt納米顆粒均能夠與g-C_3N_4和g-C_3N_4-SiC緊密結(jié)合;而在g-C_3N_4-SiC復(fù)合光催化劑中,SiC也能夠均勻地負載在g-C_3N_4的表面,有的SiC還被g-C_3N_4所包裹形成核殼結(jié)構(gòu)。紫外-可見漫反射光譜(UV-vis DRS)的表征結(jié)果顯示g-C_3N_4-Pt、g-C_3N_4-SiC和g-C_3N_4-SiC-Pt三種光催化劑都比單一的g-C_3N_4對可見光的吸收范圍更廣且吸收率更高。固體光致發(fā)光光譜(PL)表征結(jié)果顯示g-C_3N_4-Pt、g-C_3N_4-SiC和g-C_3N_4-SiC-Pt三種光催化劑的光生載流子的復(fù)合率比單一的g-C_3N_4的要低,從而其光催化分解水制氫的活性要高于單一的g-C_3N_4。Pt納米顆粒與SiC和g-C_3N_4的界面之間形成莫特-肖特基,SiC與g-C_3N_4兩種半導(dǎo)體界面之間形成有機-無機異質(zhì)結(jié),這些微觀結(jié)構(gòu)的生成促使光生電子與空穴定向遷移,從而有利于光生載流子的有效分離,進而提高光催化劑的光催化活性與穩(wěn)定性。從而得出結(jié)論:通過對單一的g-C_3N_4進行形貌調(diào)控,貴金屬Pt納米顆粒負載以及與SiC復(fù)合等改進措施,是g-C_3N_4的光催化分解水制氫活性得到提升的有效途徑。
【學(xué)位單位】：廈門大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;TQ116.2
【部分圖文】：

在室溫常壓下ｇ－Ｃ３Ｎ４具有優(yōu)良的耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，這一性能為??ｇ－Ｃ３Ｎ４的應(yīng)用提供了廣闊的空間。２００９年，％＆１增等［２２］報道ｇ－Ｃ３Ｎ４在可見光的??照射下可以催化分解水制氫。至此，ｇ－Ｃ３Ｎｄｔ為有機聚合物半導(dǎo)體光催化劑開始??成為光催化分解水制氫領(lǐng)域的研究熱點。??１．２．２．２石墨相氮化碳的結(jié)構(gòu)??石墨相氮化碳（ｇ－Ｃ３Ｎ４）是二維層狀材料，其層與層之間是以分子間作用力??和范德華力結(jié)合的。２００８年，Ｔｈｏｍａｓ?Ａｍｅ等［２３］認為ｇ－Ｃ３Ｎ４可能存在三嗪環(huán)（Ｃ３Ｎ４和七嗪環(huán)（Ｃ６Ｎ７）兩種結(jié)構(gòu)單元，如圖１－１?（ａ）和（ｂ）所示。２００２年，Ｋｒｏｋｅ?Ｅｄｗｉｎ??等［２４］經(jīng)過理論模擬計算認為七嗪環(huán)（Ｃ６Ｎ７）是實驗合成片層結(jié)構(gòu)ｇ－Ｃ３Ｎ４的基結(jié)構(gòu)單元，如圖１－１?（ｃ）所示，因為由七嗪環(huán)單元構(gòu)成的ｇ－Ｃ３Ｎ４比三嗪環(huán)單構(gòu)成的ｇ－Ｃ３Ｎ４的熱力學(xué)能量要低３０?ｋＰｍｏｒ１左右，所以由七嗪環(huán)單元構(gòu)成ｇ－Ｃ３Ｎ４的結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)定。??

??反應(yīng)五個小時之后其產(chǎn)氫量是最多的，達到了?１７９５?｜ｉＬ，從圖３－２?（ｂ）中可以看??出ｇ－Ｃ３Ｎ４－６５０的產(chǎn)氫速率最快，達到１６０．３ｔｉｍｏｌ．ｈ＋ｇ＿ｉ，即三聚氰胺在６５０?°Ｃ焙??燒制成的ｇ－Ｃ３Ｎ４的光解水活性最高。所以在本實驗研宂的后續(xù)工作中所制備??ｇ－Ｃ３Ｎ４均是在空氣氣氛中６５０?°Ｃ溫度下焙燒４ｈ完成的。??１?Ｉ?ｇ－Ｃ．＇?Ｎ－４５０?，、?＿?＿〇〇??１８００?－＾｜ｙ．ＣＮｉ－５０（）?⑷?＇ｊｊ５?＾?（ｂ）?１６０．３??二?畫?０．凡－５５（＞?｜??３．?１５００?－?［￣￣７￣１?＾．Ｃ?Ｎ?－６＜Ｈ）?ｉ｜?ｊ?■〇??ｗ?ｗｍ?ｅ－Ｃ?Ｎｒ６５（）?■?Ｉ?Ｉ．??ＵＪｌ“Ｉ??ｗ?ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?ＩＩ?Ｉ???Ｉ?Ｉ?Ｉ???ｉ??１２?３?４?５?ｇ－Ｃ＼Ｎ，?１５０?ｙ－Ｃ；Ｎ，?５００?ｇ－Ｃ；Ｎ，?．ｒ）５０?ｉｉ－Ｃ，Ｎ４?Ｂ〇〇?ｇ－Ｃ，Ｎｉ?＾５０??Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ?Ｔｉｍｃ／ｈ?Ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?／°Ｃ??圖３－３不同焙燒溫度下制備ｇ－Ｃ３Ｎ４的光催化活性（ａ）所制備樣品的產(chǎn)氫總量（ｂ）所??制樣品的產(chǎn)氫速率??Ｆｉｇｕｒｅ?３－３?Ｔｈｅ?ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ?ｏｆ?ｇ－Ｃ３Ｎ４ｉｎ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?（ａ）?ｔｈｅ?ｔｏｔａｌ??ａｍｏｕｎｔ?ｏｆ?Ｈ２?ｐｒｏｄｕｃｅｄ?ｕｎｄｅｒ?ｔｈｅ?ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓ?ｏｆ?ａｓ－ｐｒｅｐａｒｅｄ?ｓａｍｐｌｅｓ

??圖３－４是本實驗在進行ｇ－Ｃ３Ｎ４－６５０光催化分解水制Ｍ過程屮所使用的不Ｎ犧??牲試劑對光催化性能的影響，加入的輛牲試劑體積是反應(yīng)液的１０％?（太？離水??９０?ｍＬ，犧牲試劑１０?ｍＬ）。當不加入犧牲試劑即反應(yīng)體系中只使用ｇ－Ｃ３Ｎ４－６５０??光催劑、純水和１?ｗｔ％的貴金屬Ｐｔ，光照五個小時之后Ｈ２產(chǎn)量幾乎為零。而加??入犧牲試劑之后，光催化制氫體系明顯有Ｈ２產(chǎn)生，其中加入三乙醇胺之后其產(chǎn)??氫效果最優(yōu)。另外做了一組相應(yīng)的對照實驗，即在該光催化體系中不加入??ｇ－Ｃ；ｖＮ４－６５０光催化劑，只加入去離子水、三乙醇胺（ＴＥＯＡ）和氯鉑酸溶液，光??照五個小時之后發(fā)現(xiàn)該光催化體系幾乎沒有出生成即ＴＥＯＡ本身是小會分解水??產(chǎn)氫的，所以在本實驗的后續(xù)光催化分解水制氫性能評價丨：作屮采用的犧牲試劑??均為三乙醇胺（ＴＥＯＡ）。??２０００－????—■—?ｐｕｒｅ?ｗａｔｅｒ??－—？—ｍｅｔｈａｎｏｌ??＾?—Ａ—?ｌａｃｔｉｃ?ａｃｉｄ??＾?
【參考文獻】

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本文編號：2866116