高效异质结复合光催化剂的构筑及其CO2还原研究

作     者：殷桂林 

作者单位：贵州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：龚秀

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 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：光催化还原CO2 p-n异质结 钙钛矿量子点 硒化镉量子点 金属有机框架材料 

摘      要：二氧化碳（CO）的过量排放不仅造成了严峻的环境危机,而且限制了人类社会的发展。光催化还原技术可以使CO直接转换成如CHOH的高价值产品实现碳资源的绿色循环。驱动反应的能量直接来源于对环境无污染的太阳能,该反应过程不消耗多余的能源,为同时解决环境问题和能源危机提供了一种新思路。所有的半导体材料中,钙钛矿材料具有优异的光电性质被广泛应用在太阳能电池方向领域,p型半导体ZnTe具有很负的导带位置能够为电子的转移提高很大的驱动力,因此这两种材料在CO还原领域展现出巨大的潜力。但无论是钙钛矿材料还是p型半导体ZnTe都遭受严重的电荷重组和稳定性差等问题。然而在所有的策略中,异质结工程是促进电子-空穴对分离最有效的方法。因此,本文通过构建type-II型异质结CsPbBr/CdSe和p-n型异质结ZnTe/Cu-TCPP促进电荷转移和分离,解决电荷重组严重的问题,这有望提高催化剂的CO还原性能。本论文主要涉及以下内容:（1）通过在CsPbBr量子点上原位生长CdSe量子点的策略构建type-II型CsPbBr/CdSe复合催化剂。首先,通过元素分布图和XRD证明了复合材料制备成功,UPS和UV-vis确定出能带结构并判断出是典型的type-II型异质结。其次,通过测试一系列的载流子动力学表征如PL、TRPL、EIS和I-t,结果表明复合材料的载流子寿命变短、转移电阻变小和光电流变大了,说明了复合材料促进了电荷的有效分离,也就是抑制了电荷的复合。最后测试了复合材料的光催化CO还原性能,在无牺牲剂的条件下,CsPbBr/CdSe的光催化CO还原产物CO产量高达到115.26 mmol g,是单独CsPbBr的4.6倍。DFT计算结果表明CsPbBr/CdSe的CO吸附能高于CsPbBr,说明复合材料更有利于吸附CO。电荷差分密度图和电子局域函数表明在CsPbBr和CdSe的界面倾向于形成Pb-Se和Cd-Br键,有助于电荷的转移。该工作理论计算结合实验深入的探究了复合催化剂性能提升的原因,这对钙钛矿光电材料在光催化CO领域的进一步研究具有一定的指导意义。（2）设计合成了p-n型ZnTe/Cu-TCPP异质结复合材料。首先,通过元素分布图和XRD证明了复合材料的成功制备,UPS和UV-vis确定出能带结构,p-n结中内建电场的形成促进电荷的分离,通过PL、TRPL和电化学测试进一步证实了复合材料有利于电荷的转移和分离。Cu-TCPP中坚固的苯环结构有利于载流子的传输和维持催化剂结构的稳定性,片状结构的Cu-TCPP比其他纳米颗粒催化剂具有更好的CO吸附能力。同时,Cu-TCPP中的金属Cu作为主要的催化活性中心能够有效的活化CO。因此,ZnTe和Cu-TCPP的相互协同作用能够高效的将CO转化成CO和CH。ZnTe/Cu-TCPP复合材料光催化CO还原产物CO是单独ZnTe的4.8倍。