石墨烯半导体复合材料的制备及其在催化制氢领域的应用

作     者：程起发 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许志;鲁兵安

授予年度：2018年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：光电催化 电催化 石墨烯 半导体催化剂 氢气 

摘      要：随着工业的发展,化石能源日益枯竭,环境污染日渐严重,造成的能源短缺和环境污染问题是当今人类面临的两大难题。寻找可替代的新能源已经迫在眉睫,氢能由于其具有清洁,可持续性被认为是21世纪最理想的新能源之一。然而传统的制氢技术需要消耗大量的能量,制氢效率低下。在众多的制氢方法当中,光电催化制氢和电催化制氢是生产氢气最高效的两种方法。目前,虽然(Pt)作为催化剂在催化制氢反应中表现出优异的催化性能,但因其价格高昂和储量稀少很大程度上限制了大规模应用。石墨烯由于其具有优良的导电性和巨大的比表面积引起了研究者们广泛的关注,用石墨烯与催化材料复合,提高复合催化剂的催化性能已经成为研究热点。本文研究了石墨烯与半导体的复合材料在催化制氢领域的应用。具体研究内容包括以下两个方面:第3章中,通过电沉积的方法合成的Au和TiO量子点共同修饰三维石墨烯的复合材料(Au@TiO@3DGFs)作为光电催化制氢的催化剂,并对其进行了一系列的表征和光电催化性能的测试。通过对比实验我们发现了最优化的Au掺杂量。实验结果显示,复合材料Au@TiO@3DGFs具有优异的光电催化(PEC)活性和稳定性:在外加光照强度为100mW/cm的可见光照射和低的过电势-240 mV的条件下,Au@TiO@3DGFs光电极的电流密度达到了90 mA/cm,这是无光照时的3.6倍。此外,在光照条件下持续测试90小时之后,电流密度上升到了95 mA/cm。因此我们研究的复合型催化剂有望在制氢领域大规模应用。第4章中,通过水热法和原子层沉积技术我们合成了以石墨烯为载体负载Ni量子点掺杂的MoS复合材料(Ni@MoS@Graphene)作为电催化制氢的催化剂,并对其进行一系列的表征和电催化性能测试。实验结果显示,复合材料Ni@MoS@Graphene具有优异的析氢反应(HER)活性和稳定性:在过电位为-216 mV时电流密度达到34 mA/cm,在恒定过电位为-224 mV的条件下,复合材料电极持续测试100个小时之中,电流密度没有下降反而逐步上升。因此通过这种简单的方法制备出的石墨烯复合材料,成本低廉、经济可行为其以后的大规模工业化应用奠定了基础。