Co（Ni）/碳氮化物復(fù)合材料催化解水制氫性能的調(diào)控機(jī)制
發(fā)布時(shí)間：2021-06-21 05:16
清潔能源的高效開發(fā)利用和存儲(chǔ)是解決能源危機(jī)問題的有效方式。氫氣是單位質(zhì)量?jī)?nèi)能量最高的能源材料,氫能的高效制備方式近年來引起了廣泛關(guān)注。利用太陽能和電能分解水制備氫氣是目前制備氫能的兩種重要方法。作為新興的非金屬光/電催化劑,碳氮化物以其綠色、來源豐富以及優(yōu)異的性能在光催化或者電催化領(lǐng)域備受到研究人員的廣泛關(guān)注,而其中g(shù)-C3N4和氮摻雜碳（N/C）備受青睞。然而g-C3N4比表面積低、光生載流子易復(fù)合以及導(dǎo)電性差等本身存在的缺陷嚴(yán)重阻礙該材料的光催化分解水產(chǎn)氫性能;N/C雖然導(dǎo)電性良好且活性位點(diǎn)豐富,是N/C的氫吸附吉布斯自由能較弱,導(dǎo)致對(duì)氫元素的吸附能力較差,其電催化析氫性能仍有待提升。為此,本文引入過渡金屬元素（Co,Ni）對(duì)碳氮化物進(jìn)行修飾,提高材料的催化活性。系統(tǒng)表征材料的形貌、結(jié)構(gòu)和析氫性能。相關(guān)研究結(jié)果如下:（1）采用水熱方式合成有機(jī)-無機(jī)雜化前驅(qū)體,熱處理過程中生成原位鈷摻雜的管狀g-C3N4（Co-CN）。研究發(fā)現(xiàn)最佳摻雜比例樣品的光催化產(chǎn)...
【文章來源】：武漢科技大學(xué)湖北省
【文章頁(yè)數(shù)】：87 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
光催化機(jī)理示意圖
1.2.2 影響光催化反應(yīng)活性的因素如圖1.2所示,光催化反應(yīng)主要可以分為5個(gè)步驟:(1)半導(dǎo)體吸收光子,(2)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì),(3)電子-空穴對(duì)的遷移與復(fù)合,(4)反應(yīng)物的吸附與產(chǎn)物的解吸附和(5)在半導(dǎo)體表面分別進(jìn)行氧化還原反應(yīng)[11]。因此,從以上光催化反應(yīng)的五個(gè)步驟來說,提升光催化活性可以從以下幾個(gè)方面入手:選擇合適帶隙的半導(dǎo)體材料,禁帶寬度過寬,則需要消耗更多的光子才能激發(fā)電子躍遷;而禁帶寬度過窄,光生載流子較易復(fù)合。且從熱力學(xué)方面考慮,半導(dǎo)體的禁帶寬度至少需要大于1.23 eV才能有效實(shí)現(xiàn)水的分解。另外,促進(jìn)光生載流子的分離,通過改性手段抑制光生載流子的復(fù)合,可以有效提升光催化效率。最后,增加光半導(dǎo)體與反應(yīng)物的接觸面積,也是不失為一種行之有效的手段。
(1)構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)通過控制g-C3N4的形貌結(jié)構(gòu)來獲得優(yōu)異的光催化性能一直是g-C3N4光催化材料研究領(lǐng)域的熱門方向。目前報(bào)道出來的不同形貌g-C3N4主要有多孔狀g-C3N4[14]、納米管狀g-C3N4[15]、納米線狀g-C3N4[16]、空心球狀g-C3N4[17]、納米片狀g-C3N4[18]等。多孔結(jié)構(gòu)的g-C3N4由于具有比較大的比表面積,可以提供比較多的反應(yīng)位點(diǎn),從而表現(xiàn)出比原始g-C3N4更強(qiáng)的光催化活性。對(duì)多孔g-C3N4的光催化性能研究表明,多孔結(jié)構(gòu)可以顯著提高g-C3N4的光催化性能,例如在光解水制氫以及光催化降解有機(jī)污染物等方面,其效率明顯高于塊狀g-C3N4。多孔g-C3N4光催化活性高的原因主要是它擁有大的比表面積、均勻的孔徑分布等眾多塊狀g-C3N4無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。如Guo等人制備的磷摻雜管狀結(jié)構(gòu)g-C3N4,是由納米片層組成的微米管結(jié)構(gòu),這種獨(dú)特的微-納米結(jié)構(gòu)有效促進(jìn)了光生載流子的分離,顯著提升了樣品的光催化析氫性能[13]。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鉀離子摻雜對(duì)石墨型氮化碳光催化劑能帶結(jié)構(gòu)及光催化性能的影響[J]. 張健,王彥娟,胡紹爭(zhēng). 物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2015(01)
博士論文
[1]基于鈷納米晶的高性能電化學(xué)催化劑的制備及電解水性能的研究[D]. 劉炳瑞.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017
碩士論文
[1]雜原子摻雜碳基納米材料的制備及其光/電催化性能研究[D]. 毛永.安徽大學(xué) 2018
[2]鈷基復(fù)合材料的合成及其電催化析氫研究[D]. 劉永康.湖南大學(xué) 2018
[3]以Ag為電極的電催化還原CO2性能研究[D]. 羅金.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2015
本文編號(hào)：3240054
【文章來源】：武漢科技大學(xué)湖北省
【文章頁(yè)數(shù)】：87 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
光催化機(jī)理示意圖
1.2.2 影響光催化反應(yīng)活性的因素如圖1.2所示,光催化反應(yīng)主要可以分為5個(gè)步驟:(1)半導(dǎo)體吸收光子,(2)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì),(3)電子-空穴對(duì)的遷移與復(fù)合,(4)反應(yīng)物的吸附與產(chǎn)物的解吸附和(5)在半導(dǎo)體表面分別進(jìn)行氧化還原反應(yīng)[11]。因此,從以上光催化反應(yīng)的五個(gè)步驟來說,提升光催化活性可以從以下幾個(gè)方面入手:選擇合適帶隙的半導(dǎo)體材料,禁帶寬度過寬,則需要消耗更多的光子才能激發(fā)電子躍遷;而禁帶寬度過窄,光生載流子較易復(fù)合。且從熱力學(xué)方面考慮,半導(dǎo)體的禁帶寬度至少需要大于1.23 eV才能有效實(shí)現(xiàn)水的分解。另外,促進(jìn)光生載流子的分離,通過改性手段抑制光生載流子的復(fù)合,可以有效提升光催化效率。最后,增加光半導(dǎo)體與反應(yīng)物的接觸面積,也是不失為一種行之有效的手段。
(1)構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)通過控制g-C3N4的形貌結(jié)構(gòu)來獲得優(yōu)異的光催化性能一直是g-C3N4光催化材料研究領(lǐng)域的熱門方向。目前報(bào)道出來的不同形貌g-C3N4主要有多孔狀g-C3N4[14]、納米管狀g-C3N4[15]、納米線狀g-C3N4[16]、空心球狀g-C3N4[17]、納米片狀g-C3N4[18]等。多孔結(jié)構(gòu)的g-C3N4由于具有比較大的比表面積,可以提供比較多的反應(yīng)位點(diǎn),從而表現(xiàn)出比原始g-C3N4更強(qiáng)的光催化活性。對(duì)多孔g-C3N4的光催化性能研究表明,多孔結(jié)構(gòu)可以顯著提高g-C3N4的光催化性能,例如在光解水制氫以及光催化降解有機(jī)污染物等方面,其效率明顯高于塊狀g-C3N4。多孔g-C3N4光催化活性高的原因主要是它擁有大的比表面積、均勻的孔徑分布等眾多塊狀g-C3N4無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。如Guo等人制備的磷摻雜管狀結(jié)構(gòu)g-C3N4,是由納米片層組成的微米管結(jié)構(gòu),這種獨(dú)特的微-納米結(jié)構(gòu)有效促進(jìn)了光生載流子的分離,顯著提升了樣品的光催化析氫性能[13]。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鉀離子摻雜對(duì)石墨型氮化碳光催化劑能帶結(jié)構(gòu)及光催化性能的影響[J]. 張健,王彥娟,胡紹爭(zhēng). 物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2015(01)
博士論文
[1]基于鈷納米晶的高性能電化學(xué)催化劑的制備及電解水性能的研究[D]. 劉炳瑞.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017
碩士論文
[1]雜原子摻雜碳基納米材料的制備及其光/電催化性能研究[D]. 毛永.安徽大學(xué) 2018
[2]鈷基復(fù)合材料的合成及其電催化析氫研究[D]. 劉永康.湖南大學(xué) 2018
[3]以Ag為電極的電催化還原CO2性能研究[D]. 羅金.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2015
本文編號(hào)：3240054
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/huaxuehuagong/3240054.html
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