氫能具有燃燒值高、產(chǎn)物綠色、來源廣泛等優(yōu)點,是未來最可能替代化石燃料的理想的清潔能源。光催化分解水是一種有效的制氫途徑,為了實現(xiàn)高效的光催化分解水制氫,研究者們開發(fā)了不同類型的光催化劑,從催化劑組成結(jié)構(gòu)上劃分,傳統(tǒng)光催化劑可分為單一結(jié)構(gòu)光催化劑和II型異質(zhì)結(jié)光催化劑。然而在光催化過程,前者光生電子-空穴易體相復(fù)合,且光響應(yīng)區(qū)域多為紫外光區(qū)域;后者通過復(fù)合的方式有效的解決了前者存在的上述問題,但是相比原有的單一組份半導(dǎo)體催化劑來說氧化還原能力有所下降�；谝陨蠁栴},研究者們受到植物光合作用中獨特的電子傳輸機制的啟發(fā),提出并成功構(gòu)筑了Z型光催化體系。在Z型光催化體系中,光生電子能夠沿著“Z”型路徑進行傳輸,既有效的抑制了光生電子空穴的有效復(fù)合,又保留了催化材料原有的氧化還原能力,很好的解決了上述兩種催化劑存在的問題。但Z型光催化劑也存在著一些限制:首先,催化劑材料必須具備相匹配的能級結(jié)構(gòu);其次,現(xiàn)有的Z型光催化劑一部分為吸收紫外光材料,光能利用率低,還有一部分為具有劇毒的Cd S、Mo S2等含硫金屬化合物,無法大規(guī)模應(yīng)用;最后,現(xiàn)有的Z型光催化體系制氫速率較低,實際應(yīng)用受到了極大限制。為... 

【文章來源】：河南大學(xué)河南省

【文章頁數(shù)】：86 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

單一結(jié)構(gòu)光催化劑（a）[11]和II異質(zhì)結(jié)光催化劑（b）[12]光催化示意圖

頹ㄒ疲?行У囊種聘春喜牧?中逆反應(yīng)的發(fā)生，又保留了復(fù)合材料單一組分原有的強氧化還原能力。直接Z型光催化體系在有效的解決了II型異質(zhì)結(jié)光催化劑在氧化、還原能力下降的同時，還極大的提高了光催化體系的穩(wěn)定性。此外，Z型光催化劑和II型異質(zhì)結(jié)材料一樣為光催化材料提供了很大選擇性和廣闊的設(shè)計空間。因此，Z型催化劑更因具有寬光譜響應(yīng)、高穩(wěn)定性、高光生載流子的分離效率、強氧化還原能力等優(yōu)點，成為了當(dāng)前研究的熱點話題。1.2Z型光催化體系概述1.2.1Z型光催化體系的基本原理研究表明，綠色植物體內(nèi)光合作用體系（如圖1-2a所示）主要包括兩個光系統(tǒng)（光系統(tǒng)I，II）的光激發(fā)過程以及一系列氧化還原中間體的轉(zhuǎn)換[18]。光系統(tǒng)II（PSII、PCII）吸收光后氧化水分子產(chǎn)生氧氣，光系統(tǒng)I吸收光能產(chǎn)生電子，形成具有強還原態(tài)輔II（NADP）用以還原CO2生成糖類物質(zhì)，其產(chǎn)生的電子傳遞給光系統(tǒng)I（PSI、PCI）；而自身被PSII系統(tǒng)通過傳輸通道-氧化還原中間體傳來的電子所還原。該反應(yīng)體系中電子沿“Z”字形路徑傳遞，因此被稱為Z型（Z-scheme）反應(yīng)，該反應(yīng)的量子效率接近100%。圖1-2植物光合作用電子傳輸過程（a）[18]和第一代Z型催化體系模型（b）[12]受上述植物光合作用中Z型反應(yīng)的啟發(fā)，科學(xué)家們構(gòu)筑了第一代人工Z型光催化體系，如圖1-2b所示，該體系選由導(dǎo)帶和價帶能級相匹配的兩種不同光催化材料構(gòu)成光

第一章緒論5響催化劑對光的高效吸收，有顏色的電子介體還可能會吸收一部分光，電子得不到有效的傳遞；其次，在一定條件下，離子型電子傳輸介質(zhì)容易被光生電子（空穴）選擇性還原（氧化），或與已產(chǎn)生的H2（O2）發(fā)生反應(yīng)；再次，離子型的電子傳輸介質(zhì)還有可能引起一部分入射光散射。這些問題嚴(yán)重限制了第一代離子型Z型光催化體系的進一步使用。圖1-3第二代Z型光催化模型[12]（a）及直接Z型光催化模型[12]（b）2006年，Tada等人利用Au作為空間電子傳輸介質(zhì)，構(gòu)筑了全固態(tài)Z型光催化體系，即第二代Z型光催化體系[23]。圖1-3a為第二代Z型光催化體系模型，在光催化過程中，半導(dǎo)體（PSII，PSI）在光激發(fā)下分別產(chǎn)生光生電子-空穴對，PSII導(dǎo)帶上的光生電子經(jīng)由金屬介質(zhì)傳至PSI，與價帶上的光生空穴復(fù)合，有效提高了PSII，PSI上光生載流子的分離率；在PSI中導(dǎo)帶上的光生電子可用于光催化還原反應(yīng)，在PSII中價帶的光生空穴用于光催化氧化反應(yīng)。至今，除了Au納米顆粒外，具有良好導(dǎo)電性能的Ag、Cd、W等貴金屬以及層狀石墨烯（RGO）均已經(jīng)被用作全固態(tài)Z型光催化材料光生載流子的傳輸介質(zhì)[24-31]。Au、Ag、W、還原石墨烯（RGO）等材料具有良好導(dǎo)電性，與半導(dǎo)體在復(fù)合界面形成歐姆接觸，為光生電荷提供了新的傳輸通道，更有利于光生載流子在復(fù)合界面的轉(zhuǎn)移和傳輸，既有效抑制第一代Ｚ機制光催化體系中存在的逆向反應(yīng)，又能提高了Z型光催化體系的穩(wěn)定性[32]。然而，貴金屬稀有且昂貴的價格及產(chǎn)生的光屏蔽效應(yīng)極大限制了第二代全固態(tài)Ｚ型光催化體系的廣泛應(yīng)用。2009年，王學(xué)文等人[33]發(fā)現(xiàn)ZnO和CdS直接復(fù)合后，在無任何介體存在的情況下，電子傳輸與Z型光催化體系具有相同的電子-空穴轉(zhuǎn)移機制，從此開啟了對于第三代Z型光催化系統(tǒng)（又稱無介體Z型光催化

【參考文獻】：
期刊論文
[1]構(gòu)建高效可見光區(qū)分解水制氫的Z型CdS/Cd/摻雜TiO2光催化體系（英文）[J]. 趙釗,邢艷波,李海波,馮萍云,孫再成.  Science China Materials. 2018(06)
[2]WO3中單斜相/六方相異相結(jié)的構(gòu)建及提高光催化降解羅丹明B活性（英文）[J]. 盧圓圓,劉果,張靜,馮兆池,李燦,李智.  催化學(xué)報. 2016(03)



本文編號：2991091