近年來(lái),環(huán)境污染、能源危機(jī)等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,人們渴望得到一種新型的、無(wú)污染的能源來(lái)代替煤炭、石油等不可再生的化石燃料,而氫能源無(wú)疑是我們最好的選擇。到目前為止,工業(yè)上廣泛采用紅熱的碳與水蒸氣反應(yīng)或者從天然氣和石油加工工業(yè)中的提純的甲烷與水蒸氣反應(yīng)來(lái)制取氫氣。除此之外人們還提出了一種更清潔更廉價(jià)的方法來(lái)制取氫氣,就是光解水來(lái)制取氫氣。這一領(lǐng)域的第一個(gè)突破是1972年藤島和本田利用TiO₂電極實(shí)現(xiàn)了水的完全分解。自那時(shí)以來(lái),人們就開(kāi)啟了研究利用各種半導(dǎo)體材料作為光催化劑來(lái)制取氫氣的大門(mén)。在本文中,我們利用密度泛函理論的模擬計(jì)算方法主要研究了兩種二維材料充當(dāng)光解水制氫的催化劑的可能性。一方面,通過(guò)研究二維非金屬納米薄膜g-HTAP的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì),我們發(fā)現(xiàn)它具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和光吸收效率,通過(guò)模擬g-HTAP的析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）過(guò)程,發(fā)現(xiàn)g-HTAP二維薄膜具有很好的制氫性能,但是析氧過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力略有不足,這可以通過(guò)添加犧牲劑來(lái)保證制氫的順利進(jìn)行。另一方面,我們還研究了二維異質(zhì)結(jié)材料PtS₂/MoSe₂的... 

【文章來(lái)源】：南京師范大學(xué)江蘇省 211工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：61 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為氫能源的原理圖[6]

第一章緒論3具有很好的氧化還原作用。然而由于TiO2帶隙為3.0eV左右，只能吸收紫外光區(qū)域的太陽(yáng)光，不利于太陽(yáng)光的收集，所以人們大多數(shù)是研究在TiO2中摻雜一些雜質(zhì)（如Pt等），以此來(lái)提高催化劑對(duì)太陽(yáng)光的吸收效率。其實(shí)不僅僅是TiO2，大多數(shù)金屬氧化物都具有較寬的帶隙，比如ZnO(3.4eV)[34],Ga2O3(4.5eV)[35],Al2O3(8.8eV)[36]等，因此金屬氧化物在用來(lái)做光催化的同時(shí)往往都需要摻雜一些別的元素來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變材料的電子結(jié)構(gòu)[37]。圖1.2TiO2光解水原理圖[32,33]。與此同時(shí)，與氧元素同主族的金屬硫化物在光催化性能上的研究也引起了人們的注意，其中以CdS和MoS2是硫化物在光催化領(lǐng)域應(yīng)用中最具有代表性的兩種材料。這兩種材料在實(shí)驗(yàn)上制備簡(jiǎn)單、穩(wěn)定存在，而且?guī)犊梢哉{(diào)節(jié)，當(dāng)其由多層結(jié)構(gòu)變?yōu)閱螌咏Y(jié)構(gòu)時(shí)，帶隙增寬，其相應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變。值得一提的是，金屬硫化物與金屬氧化物相比，帶隙偏小一點(diǎn)，CdS帶隙大約2.4eV，被認(rèn)為是光解水領(lǐng)域的優(yōu)秀材料[38,39]。而MoS2帶隙2.0eV，是一個(gè)典型的層狀化合物，層內(nèi)是以微弱的范德華力結(jié)合在一起的，每個(gè)單元是“S-Mo-S”的三明治結(jié)構(gòu)。雖然MoS2化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有合適的光解水的帶隙，但是分離開(kāi)的電子空穴極易復(fù)合，載流子的遷移率也相對(duì)較弱，所以在光解水領(lǐng)域的應(yīng)用并不是很理想[40-42]。1.2.2氮化物與氮碳化物（）氮化物中N的電子軌道與金屬氧化物中氧的電子軌道相似，N的軌道能量

第一章緒論7圖1.3部分半導(dǎo)體的CBM/VBM圖[61]。（2）載流子遷移率光催化劑在吸收太陽(yáng)光子的能量形成電子空穴對(duì)之后，由于電子的熱運(yùn)動(dòng)，此時(shí)光催化劑處于一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，光生電子在運(yùn)動(dòng)和輸運(yùn)的過(guò)程中很容易再躍遷回價(jià)帶，并與空穴復(fù)合，從而制約光催化的進(jìn)程。所以加速光生載流子的遷移效率，激發(fā)電子-空穴的快速分離是提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率的另一重要手段[62]。在我們之前提到的光催化材料中，石墨烯一直認(rèn)為是比較有前途的二維非金屬光催化材料。石墨烯的優(yōu)勢(shì)在于費(fèi)米面附近的狄拉克錐形的能帶結(jié)構(gòu)允許其具有超高的載流子遷移率，它的載流子遷移率高達(dá)106ms-1，是目前發(fā)現(xiàn)的光催化材料中具有最高遷移率的材料[63,64]。而對(duì)于石墨化碳氮化物（g-C3N4），盡管它在帶隙、光吸收等方面都符合光解水制氫的要求，可惜的是，它的電子和空穴的復(fù)合率太高，以至于制氫的效率極低，所以在光催化制氫方面仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為了提高g-C3N4的載流子遷移率，科研人員通過(guò)摻雜或者構(gòu)造異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)改變其的電子結(jié)構(gòu)。Chen等人通過(guò)構(gòu)造環(huán)形結(jié)構(gòu)，在C3N4的基礎(chǔ)上引入石墨烯來(lái)提高其載流子遷移率。最特別的是，通過(guò)連續(xù)的π共軛鍵無(wú)縫拼接平面內(nèi)具有類(lèi)似芳香結(jié)構(gòu)的二維材料，如石墨化碳環(huán)截面，可以有效地調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)和電子傳輸特性，從而使平面內(nèi)電子空穴快速分離和傳輸[65,66]。（3）氧化/還原反應(yīng)能壘光解水是一個(gè)升高能壘的反應(yīng)，即吸熱反應(yīng)（>0），理論上我們只要考慮帶隙方面符合光解水的要求即可，可是考慮到熱力學(xué)方面光解水是兩個(gè)半反應(yīng)，每個(gè)半反應(yīng)都有反應(yīng)能壘，所以就要求Δ<，Δ<。因此帶隙除了要覆

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Recent Progress on Visible Light Responsive Heterojunctions for Photocatalytic Applications[J]. Songcan Wang,Jung-Ho Yun,Bin Luo,Teera Butburee,Piangjai Peerakiatkhajohn,Supphasin Thaweesak,Mu Xiao,Lianzhou Wang.  Journal of Materials Science & Technology. 2017(01)
[2]提高光催化劑光解水制氫效率的方法概述[J]. 胡建強(qiáng).  化工技術(shù)與開(kāi)發(fā). 2015(05)



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