基于TMT的光催化分解水材料設(shè)計(jì)及產(chǎn)氫性能的研究
發(fā)布時間：2021-09-07 21:35
面對化石能源的過度消耗和不斷增長的能源需求,開發(fā)可持續(xù)能源具有至關(guān)重要的作用。利用光催化技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能是一種緩解能源短缺問題的有效途徑。氫氣具有高能量密度和環(huán)境友好的特性,因而以氫氣為能源載體存儲太陽能被認(rèn)為是理想的光-化學(xué)能轉(zhuǎn)換方式。目前單一的光催化材料普遍存在反應(yīng)速率低的缺點(diǎn),很難實(shí)現(xiàn)太陽能高效轉(zhuǎn)化,制備高活性半導(dǎo)體光催化劑是其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵所在。本論文主要圍繞光催化材料金屬有機(jī)共聚物Cd3（C3N3S3）2[可簡寫成Cd3（TMT）2]及其衍生物CdS作為基體來開展研究,圍繞如何提高硫化物的電荷分離效率做了以下工作:（1）利用一步溶劑熱法構(gòu)建了Cd3（TMT）2/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑。通過XRD和XPS等表征,證明了Cd3（TMT）2/g-C3N4<...
【文章來源】：西北師范大學(xué)甘肅省
【文章頁數(shù)】：83 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
半導(dǎo)體光催化反應(yīng)基本原理示意圖
第1章緒論4被激發(fā)到導(dǎo)帶（CB）中大多數(shù)電子很快退激發(fā)，再次返回價帶（VB）中，與價帶（VB）上的空穴發(fā)生復(fù)合，另外一部分光生電子和空穴在未退激發(fā)前迅速轉(zhuǎn)移到表面的活性位點(diǎn)，分別去誘導(dǎo)析氫和析氧反應(yīng)的發(fā)生，光生電子能夠還原水中的H+成為H2，光生空穴將水分子氧化得到O2。圖1-2光催化分解水制氫的示意圖[12]Figure1-2Photocatalyticdecompositionofwatertoproducehydrogen[12]從圖1-2中明顯看出，水分解的反應(yīng)過程主要包括以下五個反應(yīng)過程：分別是（a）光子能量的吸收；（b）表（界）面處的電荷轉(zhuǎn)移；（c）光催化劑表面的電子和空穴與吸附的分子誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生；（d）化學(xué)物質(zhì)的吸附，解吸和質(zhì)量擴(kuò)散；（e）電荷重組的過程[12]。1.2.3光催化反應(yīng)的模式受到能源危機(jī)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，開發(fā)新能源技術(shù)已迫在眉睫。自1972年Fujishima和Honda等發(fā)現(xiàn)在TiO2電極上光照后產(chǎn)生電流信號，光催化技術(shù)正式拉開了帷幕。此后，Inoue等[32]人發(fā)現(xiàn)通過相似的裝置，能夠?qū)⑺械亩趸即呋D(zhuǎn)化為有機(jī)化學(xué)物質(zhì)。Grazel等[33]人發(fā)現(xiàn)經(jīng)過表面修飾的二氧化鈦顆粒在不存在偏壓的狀況下，同樣能夠進(jìn)行分解水反應(yīng)。Vandamme等[34]人發(fā)現(xiàn)將借助光輔助的水分解過程可從固-液界面發(fā)展到水蒸氣-二氧化鈦的氣-固界面上。隨著光催化劑的用途的豐富多樣性，其反應(yīng)模式和反應(yīng)類型也逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。光催化反應(yīng)的模式大體上主要分為兩種，一種是基于光電極的光電催化反應(yīng)，另外一種是基于固體粉末的半導(dǎo)體光催化材料。光電化學(xué)反應(yīng)是將光催化材料通過電泳或者旋涂的方法沉積在某種導(dǎo)電基底上（常見的如FTO、ITO、鈦片以及坦片等），亦可在制備光催化劑的過程中直接將導(dǎo)電基底浸沒在含有水或者其它有機(jī)
法得到目標(biāo)電極。然后將光催化材料制備的目標(biāo)電極通過合適的外加電壓以及適當(dāng)功率下的光源照射，根據(jù)樣品自身的特性選擇在光電化學(xué)反應(yīng)池中加入不同pH值的電解質(zhì)溶液，進(jìn)而在電極表面誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生。粉體光催化劑的最大的反應(yīng)優(yōu)勢在于粉末催化劑在溶液中具有很好的分散性，并增大了與反應(yīng)溶液的接觸面積，利于光譜的收割，對于將來的規(guī)模化的生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。Wang等[35]人利用以上二者反應(yīng)的結(jié)合優(yōu)勢，拓展了新的反應(yīng)形式，將粉末催化劑沉積在導(dǎo)電基底上，展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。以上三種光催化反應(yīng)的模式如圖1-3所示。圖1-3三種光催化反應(yīng)模式，(a)光電化學(xué)分解水制氫，(b)粉末光催化劑進(jìn)行有機(jī)污染物的降解、還原CO2制備CH4及分解水析氫，(c)雙功能粉末光催化劑分解水析氫Figure1-3Threephotocatalyticreactionmodes,(a)photoelectrochemicaldecompositionofwatertoproducehydrogen,(b)powderphotocatalystfordegradationoforganicpollutants,reductionofCO2toproduceCH4andwatersplittingforhydrogenevolution,(c)dualfunctionpowderphotocatalystforwatersplitting催化反應(yīng)主要是基于氧化還原的過程進(jìn)行的，可根據(jù)我們所需要的產(chǎn)物設(shè)計(jì)不同的反應(yīng)歷程。在光催化分解水反應(yīng)過程中，我們的總目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全分解水，即達(dá)到既能高效的產(chǎn)氫又能同時滿足能夠產(chǎn)氧的過程，得到的產(chǎn)物最佳H2：O2之間的分子比為2：1。截止目前，由于能夠?qū)崿F(xiàn)全解水的半導(dǎo)體分解水材料種類比較匱乏且效率仍然較低，半反應(yīng)在光催化領(lǐng)域發(fā)展的過程中取得了長足的進(jìn)展。半反應(yīng)也可簡單的理解為光催化材料僅發(fā)生氧化或者還原反應(yīng)，得到的最終產(chǎn)物是氫氣或者氧氣。在測試過程中為了抑制電子和空穴的復(fù)合，在半反應(yīng)測試過程中我們通常會在反應(yīng)溶液中加入定量的?
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]雙功能S-型g-C3N4/Bi/BiVO4復(fù)合光催化劑驅(qū)動人工碳循環(huán)（英文）[J]. 謝權(quán),何婉楣,劉升衛(wèi),李傳浩,張金鋒,王保強(qiáng). Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
本文編號：3390286
【文章來源】：西北師范大學(xué)甘肅省
【文章頁數(shù)】：83 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
半導(dǎo)體光催化反應(yīng)基本原理示意圖
第1章緒論4被激發(fā)到導(dǎo)帶（CB）中大多數(shù)電子很快退激發(fā)，再次返回價帶（VB）中，與價帶（VB）上的空穴發(fā)生復(fù)合，另外一部分光生電子和空穴在未退激發(fā)前迅速轉(zhuǎn)移到表面的活性位點(diǎn)，分別去誘導(dǎo)析氫和析氧反應(yīng)的發(fā)生，光生電子能夠還原水中的H+成為H2，光生空穴將水分子氧化得到O2。圖1-2光催化分解水制氫的示意圖[12]Figure1-2Photocatalyticdecompositionofwatertoproducehydrogen[12]從圖1-2中明顯看出，水分解的反應(yīng)過程主要包括以下五個反應(yīng)過程：分別是（a）光子能量的吸收；（b）表（界）面處的電荷轉(zhuǎn)移；（c）光催化劑表面的電子和空穴與吸附的分子誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生；（d）化學(xué)物質(zhì)的吸附，解吸和質(zhì)量擴(kuò)散；（e）電荷重組的過程[12]。1.2.3光催化反應(yīng)的模式受到能源危機(jī)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，開發(fā)新能源技術(shù)已迫在眉睫。自1972年Fujishima和Honda等發(fā)現(xiàn)在TiO2電極上光照后產(chǎn)生電流信號，光催化技術(shù)正式拉開了帷幕。此后，Inoue等[32]人發(fā)現(xiàn)通過相似的裝置，能夠?qū)⑺械亩趸即呋D(zhuǎn)化為有機(jī)化學(xué)物質(zhì)。Grazel等[33]人發(fā)現(xiàn)經(jīng)過表面修飾的二氧化鈦顆粒在不存在偏壓的狀況下，同樣能夠進(jìn)行分解水反應(yīng)。Vandamme等[34]人發(fā)現(xiàn)將借助光輔助的水分解過程可從固-液界面發(fā)展到水蒸氣-二氧化鈦的氣-固界面上。隨著光催化劑的用途的豐富多樣性，其反應(yīng)模式和反應(yīng)類型也逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。光催化反應(yīng)的模式大體上主要分為兩種，一種是基于光電極的光電催化反應(yīng)，另外一種是基于固體粉末的半導(dǎo)體光催化材料。光電化學(xué)反應(yīng)是將光催化材料通過電泳或者旋涂的方法沉積在某種導(dǎo)電基底上（常見的如FTO、ITO、鈦片以及坦片等），亦可在制備光催化劑的過程中直接將導(dǎo)電基底浸沒在含有水或者其它有機(jī)
法得到目標(biāo)電極。然后將光催化材料制備的目標(biāo)電極通過合適的外加電壓以及適當(dāng)功率下的光源照射，根據(jù)樣品自身的特性選擇在光電化學(xué)反應(yīng)池中加入不同pH值的電解質(zhì)溶液，進(jìn)而在電極表面誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生。粉體光催化劑的最大的反應(yīng)優(yōu)勢在于粉末催化劑在溶液中具有很好的分散性，并增大了與反應(yīng)溶液的接觸面積，利于光譜的收割，對于將來的規(guī)模化的生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。Wang等[35]人利用以上二者反應(yīng)的結(jié)合優(yōu)勢，拓展了新的反應(yīng)形式，將粉末催化劑沉積在導(dǎo)電基底上，展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。以上三種光催化反應(yīng)的模式如圖1-3所示。圖1-3三種光催化反應(yīng)模式，(a)光電化學(xué)分解水制氫，(b)粉末光催化劑進(jìn)行有機(jī)污染物的降解、還原CO2制備CH4及分解水析氫，(c)雙功能粉末光催化劑分解水析氫Figure1-3Threephotocatalyticreactionmodes,(a)photoelectrochemicaldecompositionofwatertoproducehydrogen,(b)powderphotocatalystfordegradationoforganicpollutants,reductionofCO2toproduceCH4andwatersplittingforhydrogenevolution,(c)dualfunctionpowderphotocatalystforwatersplitting催化反應(yīng)主要是基于氧化還原的過程進(jìn)行的，可根據(jù)我們所需要的產(chǎn)物設(shè)計(jì)不同的反應(yīng)歷程。在光催化分解水反應(yīng)過程中，我們的總目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全分解水，即達(dá)到既能高效的產(chǎn)氫又能同時滿足能夠產(chǎn)氧的過程，得到的產(chǎn)物最佳H2：O2之間的分子比為2：1。截止目前，由于能夠?qū)崿F(xiàn)全解水的半導(dǎo)體分解水材料種類比較匱乏且效率仍然較低，半反應(yīng)在光催化領(lǐng)域發(fā)展的過程中取得了長足的進(jìn)展。半反應(yīng)也可簡單的理解為光催化材料僅發(fā)生氧化或者還原反應(yīng)，得到的最終產(chǎn)物是氫氣或者氧氣。在測試過程中為了抑制電子和空穴的復(fù)合，在半反應(yīng)測試過程中我們通常會在反應(yīng)溶液中加入定量的?
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]雙功能S-型g-C3N4/Bi/BiVO4復(fù)合光催化劑驅(qū)動人工碳循環(huán)（英文）[J]. 謝權(quán),何婉楣,劉升衛(wèi),李傳浩,張金鋒,王保強(qiáng). Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
本文編號：3390286
本文鏈接：http://sikaile.net/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/3390286.html
最近更新
教材專著
