基于电荷分离强化的生物质炭基催化剂的构筑及其增强光催化性能研究

作     者：张志全 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李华明;姜志锋

授予年度：2023年

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

主      题：生物质炭 光催化 电荷分离 污染物降解 CO2还原 

摘      要：生物质资源丰富,廉价易得,是取代不可再生燃料的一种绿色能源,近年来受到了人们的广泛关注。由生物质制备出的生物质炭材料具有孔道结构,可调的比表面积,丰富的官能团,优良的导电性等优点,在光催化领域具有巨大应用潜力。利用废弃生物质作为原料构筑生物质炭基光催化剂并用于污染物处理及清洁能源生产,不仅可以将各种废物转化来减轻周围的环境压力,同时还可以缓解我国能源短缺的问题。光催化过程主要分为三步,（1）光激发半导体产生电子空穴对,（2）光生电子空穴对的空间分离,（3）电子空穴对发生氧化还原反应。其中光生电子空穴对的分离和传输是光催化过程中最关键的步骤。而生物质炭材料的光生-电子空穴对的分离效率较低,严重制约了它的光催化效率和实际应用。针对上述问题,本论文通过异质结构建,元素掺杂,助催化剂修饰等方法,构筑出光生电荷分离效率高的生物质炭基复合光催化剂,并探究复合光催化剂在光催化降解污染物和光催化CO还原领域的潜在应用。分析了生物质炭基催化剂电荷分离强化的机制,为基于自然的生物材料的合成调控与实际应用提供了实验依据和理论基础。本论文的具体研究内容如下:1、以油菜花粉为原料,采用低温烧结和原位还原法制备了氧化亚铜复合生物质炭的光催化剂（CuO/BC）,并用于在可见光照射下光催化降解四环素（TC）。在可见光照射下,CuO/BC复合光催化剂对四环素的降解表现出优异的光催化活性,其降解率分别约为BC和CuO的6.0和3.2倍。光催化性能的增强归因于异质结的构建,促进了光生载流子的有效分离。此外,CuO/BC复合光催化剂在较宽的温度和p H值范围内以及各种无机离子和有机物（腐植酸）存在的条件下,依然发挥出较好的降解效果,验证了其应用潜力。同时,CuO/BC复合光催化剂在实际废水处理中也显示出较大的潜力。这项工作为生物质材料结合半导体合成高性能光催化剂提供了新的思路与见解。2、以海藻为原料,采用化学活化与氮掺杂法制备了蜂窝状碳片和氮化碳混合物组成的复合光催化剂（NHC/CNM）,并用于在太阳光照射下光催化还原CO。相比于生物质炭单体催化剂,NHC/CNM催化剂对CO的还原表现出增强的性能,并且具有较好的稳定性。光催化性能的提高归因于CO吸附能力的提升和光生载流子分离效率的增强,这分别由低温CO吸附和光电化学表征实验证明。原位傅里叶变换红外（in situ FTIR）光谱显示*COOH是CO还原反应过程中的一个关键中间体,并遵循CO→*COOH→CO的反应路线。该研究不仅阐述了一种简易合成非金属生物质炭复合光催化剂的方法,而且还揭示了CO吸附和电荷分离的协同效应对CO光转化的重要作用。3、以海藻为原料,采用化学活化与一步烧结法制备了氧化钴负载生物质炭的复合光催化剂（Co O-SBC）,并用于太阳光照射下光催化还原CO。其中1%Co O-SBC光催化剂对CO的还原表现出相对较强的性能,并且具有较好的循环稳定性。研究结果表明,Co O助催化剂的引入与生物质炭催化剂之间形成了Co-O-C键,构建了电子传输通道,缩短了电子传输距离,增强了催化剂的光生电荷的分离效率。光电流响应,电化学阻抗谱,荧光光谱等手段也成功证明了1%Co O-SBC复合光催化剂的光生电荷的分离效率高,电子传输阻力小。该研究为合成高效的生物质炭复合半导体光催化剂提供了一种简单的策略与研究思路。