發(fā)布時間：2020-08-11 15:29

【摘要】：隨著世界環(huán)境、傳統(tǒng)的化石能源問題的日益凸顯,尋找一種清潔、可再生、廉價、安全、可行的能源形式來解決目前傳統(tǒng)化石能源枯竭問題、環(huán)境污染問題備受矚目。半導(dǎo)體光催化技術(shù)以半導(dǎo)體光催化劑為核心,利用取之不竭的太陽能資源,可有效實現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化生產(chǎn)如二氧化碳還原制甲烷及水分解制氫等,并能有效地消除環(huán)境污染,受到人們的廣泛關(guān)注。目前,開發(fā)高效廉價的可見光催化劑是光催化領(lǐng)域研究的重點。二維納米片層材料石墨相氮化碳(g-C_3N_4)作為一種環(huán)境友好、價格低廉,被廣泛認(rèn)為是潛在的光催化劑材料。然而,其電子和空穴易發(fā)生復(fù)合、表面催化活化能力差等缺陷,嚴(yán)重影響g-C_3N_4的可見光催化活性。為此,本論文針對g-C_3N_4可見光生電荷分離差和表面催化活化能力不足的關(guān)鍵科學(xué)問題,設(shè)計通過硼酸表面預(yù)處理提高貴金屬(Pt、Ag、Au)和過渡金屬(Ni、Fe、Co)在g-C_3N_4表面分散的單原子助催化劑表面構(gòu)建新策略,并深刻探索其光生電荷轉(zhuǎn)移、分離和表面催化活化機(jī)制。具體實驗分如下兩部分:首先,選擇通用的貴金屬Pt為助催化劑,通過調(diào)控g-C_3N_4表面無機(jī)硼酸的修飾量,提高Pt在g-C_3N_4表面的分散并降低顆粒尺寸。穩(wěn)態(tài)表面光電壓譜,熒光光譜及生成羥基自由基濃度測試表明,硼酸預(yù)處理修飾下可有效改善Pt-g-C_3N_4的光生電荷分離情況,樣品0.5Pt-5B-CN最佳。光催化二氧化碳還原和產(chǎn)氫活性測試結(jié)果表明,硼酸存在下活性會遠(yuǎn)高于單純修飾貴金屬的活性,這可能是由于硼酸的表面修飾有效了地提高了Pt的表面分散,大幅降低了Pt顆粒尺寸甚至到單原子的結(jié)果。最后,通過對比不同貴金屬單原子的活性來確定Pt的優(yōu)越性。這一研究結(jié)果對后續(xù)改善g-C_3N_4的光催化活性及單原子的工作提供了新思路。其次,通過濕化學(xué)方法設(shè)計合成了YNi-5B-CN的納米復(fù)合體,基于球差電鏡及同步輻射等表征證明了Ni的單原子存在形式,并根據(jù)瞬/穩(wěn)態(tài)表面光電壓譜,熒光光譜及羥基自由基光致發(fā)光光譜確定其電荷分離能力明顯提升,也使得光催化二氧化碳轉(zhuǎn)化及光催化制氫的活性明顯增強(qiáng)。更值得注意的是,通過IR,TG-Mass及XPS水吸附發(fā)現(xiàn),鎳原子不僅僅能夠調(diào)控電子,更能提高YNi-5B-CN的納米復(fù)合體對水的吸附能力,致使催化活性明顯提升。在此基礎(chǔ)之上,本文又通過同位素實驗探究了在光催化甲醇存在的體系下,產(chǎn)物中的氫主要來源于水,而少部分來自于甲醇。甲醇在催化重整過程中主要以犧牲劑形式存在。并在最后通過對比實驗驗證硼酸的存在更有利于活性的提高,且在同等條件下Ni的活性要優(yōu)于Fe和Co。
【學(xué)位授予單位】：黑龍江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TQ517
【圖文】：

行工程化和產(chǎn)業(yè)化研究，提高了光催化技術(shù)的應(yīng)用價術(shù)儼然已成為最活躍的研究方向之一，美日兩國對其發(fā)并推向市場。光催化在環(huán)境和能源相關(guān)領(lǐng)域的研究可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。光催化原理料使用原理是通過利用光子的能量來催化化學(xué)反應(yīng)。導(dǎo)帶(CB)與價帶(VB)間存在一個禁帶，當(dāng)用不小于禁體上時，價帶上的電子會被激發(fā)，電子激發(fā)后，激發(fā)入導(dǎo)帶，這時會在價帶上會產(chǎn)生電子(e-)--空穴(h+)對電子在向表面遷移時會有幾種途徑，見圖 1-1 所示。，”[22]

黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文合物燃料，這種技術(shù)在解決溫室效應(yīng)的同時更能解決能源短缺問題雕。這種反應(yīng)過程是將催化劑與適量的水混合分散，在光激發(fā)下進(jìn)過程如圖 1-2。由于反應(yīng)過程復(fù)雜，涉及多電子轉(zhuǎn)移，故而產(chǎn)物也多酸、一氧化碳、甲醛、甲醇、甲烷其中的一種或幾種。反應(yīng)體系中激發(fā)產(chǎn)生羥基自由基( OH)最終變?yōu)榇蟛糠?O2和微量的 H2。

第 1 章 緒論研究者一直關(guān)注的問題。半導(dǎo)體光催化材料 半導(dǎo)體光催化劑的分類“根據(jù)半導(dǎo)體光催化劑禁帶寬度將帶隙能大于 3.0 eV 的半導(dǎo)體材料歸類于寬半導(dǎo)體，如 TiO2、GaN、TiPO4、SiN、BiPO4等；帶隙能小于 3.0 eV 則歸類帶隙半導(dǎo)體，如 g-C3N4、WO3、TaON、ZnOS 等。”[24-29]

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本文編號：2789247