光催化分解水是有效利用太陽能和氫能的一個(gè)重要的方向,被認(rèn)為是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題最有效的途徑之一,有望未來在新能源方向占有一席之地。在太陽能利用和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,傳統(tǒng)氧化物半導(dǎo)體作為光催化材料由于其禁帶寬度較大（>3 eV）,理論太陽能-氫能轉(zhuǎn)換效率（STH）低,脫離實(shí)際應(yīng)用。而鈣鈦礦型多金屬氮氧化物由于其結(jié)構(gòu)可調(diào)控,禁帶寬度小,理論轉(zhuǎn)換效率高,在光催化分解水領(lǐng)域具有巨大潛力,為太陽能高效利用提供了新思路和新方向。但其光催化活性和穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高。本文的研究重點(diǎn)主要集中在高結(jié)晶質(zhì)量鈣鈦礦型氮氧化物的制備,并通過降低表面缺陷、負(fù)載助催化劑等方法提高光電催化活性和粉末光催化活性,以期在光（電）催化分解水以及未來的能源生產(chǎn)中占有一席之地。主要工作內(nèi)容如下:1.通過熔鹽輔助氮化法和電泳法制備了高光電流的SrNbO₂N光陽極。采用惰性氣氛（Ar）退火抑制表面離子缺陷,進(jìn)而減少光生載流子在表面的復(fù)合。同時(shí)利用Co₃O₄納米顆粒作為產(chǎn)氧助催化劑提高表面光生電子-空穴的分離效率。研究了氮化溫度、熔鹽組成和退火過程對晶體完整性、... 

【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

(a)光催化分解水反應(yīng)過程和(b)能帶示意圖[2]

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1.2光催化分解水的能量圖解(a)一步激發(fā)(b)兩步激發(fā)（Z-Scheme）(c)光電陽極(d)光電陰極(e)光電陽極陰極串聯(lián)[2]Fig.1.2Energydiagramsofphotocatalyticwatersplittingbasedon(a)one-stepexcitationand(b)two-stepexcitation(Z-scheme);(c)aphotoanode,(d)photocathode,and(e)photoanodeandphotocathodeintandemconfiguration.最早用以實(shí)現(xiàn)光催化分解水采用的體系就是光電極體系[4]。光電催化分解水體系與粉末懸浮體系光催化分解水在原理上是相同的,區(qū)別在于：在粉末懸浮體系中,氧化和還原反應(yīng)都發(fā)生在光催化材料顆粒表面,只是在表面的不同位置分別負(fù)載相當(dāng)于陰極和陽極作用的助催化劑,表面同時(shí)產(chǎn)生氫氣和氧氣，需要進(jìn)一步分離；而在光電催化體系中，將該金屬氧化物半導(dǎo)體在FTO或ITO玻璃上制備成薄膜,分別作為光陽極和光陰極,氧氣和氫氣在兩電極上分別析出。通過合理設(shè)計(jì)分解水光電化學(xué)電池的結(jié)構(gòu),如在水溶液電解質(zhì)池中間加入膜材料等,將兩個(gè)電極隔開,可以實(shí)現(xiàn)氫氣和氧氣的完全分開,獲得純凈的氫氣和氧氣。光電化學(xué)分解水裝置一般包含以下組成部分：模擬太陽光光源（氙燈）、配有石英窗的光電化學(xué)反應(yīng)器，恒電位儀、工作電極、參比電極和對電極，如圖1.3所示[16]。用模擬太陽光照射到工作電極表面，同時(shí)施加恒定電壓或線性掃描電壓，檢測工作電極和對電極之間的光電流大小，工作電極的電位通過參比電極電位和

第一章緒論5標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位換算得到。若需收集產(chǎn)生氫氣氧氣等，需要加入氣體循環(huán)檢測系統(tǒng)。圖1.3PEC設(shè)備裝置圖[16]Fig.1.3SchematicdiagramofPECcell1.2.3光催化分解水性能評價(jià)光催化分解水效率性能評價(jià)一般包括兩個(gè)方面，光催化活性和光催化的穩(wěn)定性。(1)量子效率1908~1912年，Einstein和Stark提出愛因斯坦光化學(xué)當(dāng)量定律：在初級過程中，一個(gè)光量子活化一個(gè)分子，被活化的分子數(shù)等于吸收的光量子數(shù)。由此，定義了光化學(xué)的量子效率如公式(1.3)： Φ(%)=(A×RI)×100%(1.3)A為氣體因子，R表示產(chǎn)生氣體的分子數(shù)，I表示吸收的光子數(shù)目，Φ為量子效率，其中，A為需要的電子數(shù)目和生成氣體分子數(shù)之比。光催化活性可具體通過量子效率來定量評價(jià)。在光催化分解水反應(yīng)中，對于產(chǎn)氫反應(yīng)，每產(chǎn)生1molH2需要2mol光生電子來還原，計(jì)算產(chǎn)氫效率時(shí)A取2；而對應(yīng)的，4mol的光生空穴才能氧化產(chǎn)生1molO2，計(jì)算產(chǎn)氧效率時(shí)A取4[17]。在光催化分解水實(shí)驗(yàn)中，吸收光子數(shù)目難以得到，我們利用入射光子數(shù)目計(jì)算表觀量子效率來評價(jià)光催化分解水，其計(jì)算公式為：AQY%=參與反應(yīng)的電子數(shù)目入射光子數(shù)目×100%(1.4)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]太陽能光催化制氫研究進(jìn)展[J]. 吳芝,孫嵐,林昌健.  電化學(xué). 2019(05)
[2]拓展光催化材料光譜響應(yīng)的研究進(jìn)展[J]. 荊濤,戴瑛,馬曉娟,黃柏標(biāo).  中國光學(xué). 2016(01)

博士論文
[1]多金屬化合物納米結(jié)構(gòu)的制備及其光催化性能研究[D]. 李亞光.浙江大學(xué) 2015
[2]（氧）氮化物的制備及其光電化學(xué)水分解性能的研究[D]. 馮建勇.南京大學(xué) 2014

碩士論文
[1]吸附氧和表面缺陷對STO光催化析氫的影響[D]. 陳海東.河南大學(xué) 2018
[2]多金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)的制備及其光催化性能研究[D]. 宋輝.浙江大學(xué) 2016



本文編號：3375065