双电子型助催化剂改性光催化剂产氢性能的研究

作     者：鲁信勇 

作者单位：华南农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李鑫

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：双电子型助催化剂 光催化析氢 g-C3N4 CdS 

摘      要：目前,开发高效,经济的和环境友好的光催化剂仍具有挑战性。在过去的几十年里,在克服半导体本身固有的问题方面,已经取得了巨大成就。在众多的修饰策略中,负载助催化剂被认为是最易于实施的。仅仅需要负载很低含量的助催化剂,就能明显改善光生电子-空穴对的分离情况。另一方面,光催化剂表面的助催化剂可以充当活性位点,提供光催化析氢反应所需的产所,从而加速析氢反应速率。伴随着全球能源需求越来越大,迫使研究者们进一步提高光催化制氢的速率。然而,负载廉价助催化剂所能提高的程度是极其有限的,甚至是导电性优异的贵金属,如Pt,Ag等。自然地,人们开始尝试其他方式,有趣的是,当同时负载两种不同的电子型助催化剂时,光催化析氢速率会急剧地升高,甚至比单独负载两种助催化剂所提高程度的还要高。本论文中主要在光催化剂上同时负载两种的电子助催化剂,解决光催化剂自身存在的弱的光吸收问题,以及糟糕的电荷分离情况。实验所制备的样品采用XRD,UV-vis,TEM,XPS等基本测试确定了样品的晶型,形貌以及物理化学特征,最后利用PL和一系列电化学表征揭示了光催化析氢的机理,结果如下:(1)采用超声的方法将热解制备的NiB样品负载g-CN上,再通过原位光沉积的手段制备得到了g-CN-NiB/Ni(OH)复合光催化剂。NiB和Ni(OH)作为双电子型助催化剂同时加速电荷分离,在两者达到最优比例时,光催化析氢速率能够达到352.43μmol·g·h。(2)首先通过原位化学沉积的方法在g-CN表面生长金属氢氧化物(铁,钴,镍),然后在管式炉中磷化得到了g-CN-MP。最后与一定浓度的Mo S乙醇溶液混合超生,制备了g-CN-MP-Mo S复合物。其中金属磷化物作为电子传输界面仍具有助催化性能,发挥将光生电子传递到Mo S表面,发生析氢反应。当两者均达到最优比例时,析氢速率达到532.41μmol·g·h。(3)通过水热反应,以及高温热解制备得到了氮掺杂的MoC,通过超声分散制备了含有Cd S/N-MoC的水溶液,然后通过简单的化学沉积方法,过滤干燥得到了Cd S/N-MoC-Ni S复合光催化剂。2维片状结构的MoC在本体系中充当电荷传递的桥梁,加速光生电子由Cd S向Ni S表面传递,从而抑制光生电子-空穴对的复合,加快光催化析氢反应速率,最高的析氢速率高达24.03mmol·g·h。本论文组装了g-CN-NiB/Ni(OH),g-CN-MP-Mo S,Cd S/N-MoC-Ni S三种复合光催化体系。本文设计了三种不同的双电子型助催化剂体系,由于助催化剂之间的协同作用,能够加快光生载流子的分离和传递,因此,光催化析氢速率才有了显著地提高。