氮化碳基合成氨催化剂的制备及光电性能

作     者：孟艳 

作者单位：西北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王其召;黄宇

授予年度：2023年

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

主      题：氮化碳 光电催化 合成氨 氧空位 复合材料 

摘      要：氨(NH)作为一种至关重要的化学物质,在人类的生产生活中有着广泛的应用。目前,Haber-Bosch工艺是工业上最主要的合成氨技术,它不但要求严苛的高温高压反应条件,同时还释放大量的CO等温室气体。为了解决能源短缺问题和早日实现“碳中和、“碳达峰的目标,开发绿色、可持续的合成氨技术是非常具有现实意义的。光催化、电催化、光电催化、等离子体、生物法等合成氨技术已被科学家们开发出来,环境条件下的光电催化由于同时具有光催化和电催化的优点在合成氨生产中备受关注,而且通过施加偏压引起的电场能加速半导体材料的电荷分离,从而提高光电催化性能。但是由于N非常强的惰性和析氢反应的竞争,氨产率和法拉第效率仍不能达到理想水平,难以满足实际应用。氮化碳(g-CN)作为一种非金属催化剂,具有性质稳定、低成本等优点,引起了人们在各领域的研究兴趣,但是光生载流子的快速重组限制了它的催化性能。本论文以g-CN为基底材料,从构筑氧空位、等离子体效应和层状双金属氢氧化物修饰三个改性手段出发,制备不同g-CN基复合材料用于光电催化合成氨。通过一系列测试及表征,探究g-CN半导体复合材料之间的构效关系及对合成氨催化性能的影响。本文的主要研究内容如下:1、通过热氧化法将g-CN块体剥离为纳米片,通过水热法合成含有氧空位的Bi OBr/g-CN催化剂,成功制备了一种高效、稳定的光电阴极用于在环境条件下将N催化转化为NH。其中,Bi OBr/g-CN(15%)复合材料在偏压为-0.5 V时的氨合成性能最好,氨产率为227.3μmol?h?g,法拉第效率为25.1%。理论计算结果表明此合成氨过程遵循缔合远端机制。由于g-CN与Bi OBr之间的电子耦合和协同效应,促进电子-空穴对的快速分离,从而提高载流子的迁移速率,使催化剂对光电催化合成氨具有优异的催化活性和选择性。2、通过一步原位沉淀法制备Cu:Fe OOH/g-CN复合材料。在环境条件下的0.1 M NaSO电解液中,0.1Cu:Fe OOH/g-CN复合催化剂在-0.7 V时具有最佳的光电催化合成氨性能。氨产率和FE分别为904.94μmol?h?g和5.5%。Cu:Fe OOH的负载增强了g-CN复合材料的光吸收能力,加速了电子-空穴分离效率。同时将等离子体光捕获Cu与Fe催化位点集成,表面Fe原子被认为是有效吸附和激活N的活性位点,而Cu通过等离子体产生热电子,进一步促进光电催化合成氨反应的速率。3、首先,通过电泳沉积法制备g-CN薄膜,用光辅助电沉积技术将Ni Fe-LDH阵列沉积在g-CN薄膜上,成功制备了Ni Fe-LDH/g-CN光电阴极材料。通过对不同样品的测试,在-0.6 V时沉积400 s的催化剂具有最佳光电催化合成氨性能,氨产率和FE分别为7.35 mmol?h?m(1838.89μmol?h?g)和15.62%。由于Ni Fe-LDH/g-CN表面积大,该催化剂拥有丰富的活性位点,Ni Fe-LDH与g-CN纳米片之间的界面耦合为电荷转移提供了新通道。同时,Ni的存在抑制了析氢反应的发生,该催化剂优异的合成氨性能可归因于Ni和Fe原子的协同效应,在一定程度上促进了合成氨反应的发生。