本文關(guān)鍵詞：用于近紅外光驅(qū)動(dòng)分解水的碳基光催化劑的需求導(dǎo)向性設(shè)計(jì)與可控構(gòu)筑

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【摘要】：為了應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題,利用太陽能光催化分解水制氫具有成為清潔和可再生能源的巨大潛力。半導(dǎo)體光催化分解水制氫是將低密度的太陽能轉(zhuǎn)化為高密度的化學(xué)能,對(duì)于人類的可持續(xù)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用,吸引了眾多研究者的目光,已成為科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn),具有重大的社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義。迄今為止,大多數(shù)產(chǎn)氫光催化體系都難以利用占據(jù)超過40%太陽光能量的近紅外光,已經(jīng)成為太陽光應(yīng)用領(lǐng)域的主要局限之一。已報(bào)道的少數(shù)具有紅外響應(yīng)的光催化產(chǎn)氫材料,大都依賴于貴金屬、染料等體系,存在著有毒、成本高、容易光腐蝕等局限性,很大程度上阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。基于以上發(fā)展現(xiàn)狀,本文的研究目光聚焦于低成本、長(zhǎng)壽命、環(huán)境友好的,具有良好近紅外光催化活性的復(fù)合材料,以“如何利用廉價(jià)易得的原料制備全光譜太陽能響應(yīng)的分解水制氫光催化體系”這一重大科學(xué)問題的需求為導(dǎo)向,有目的、有計(jì)劃地對(duì)目標(biāo)光催化體系進(jìn)行組分與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),依照設(shè)計(jì)有序地構(gòu)筑光催化體系所需要的復(fù)合材料,并對(duì)材料的合成路徑和反應(yīng)條件進(jìn)行精確調(diào)制。本文以自然中含量充足、毒性低且易處理、形態(tài)與功能變化豐富的碳基光催化劑(碳量子點(diǎn)、石墨相氮化碳、石墨烯)為構(gòu)筑單元,致力于合成結(jié)構(gòu)可控的復(fù)合光催化體系。基于上轉(zhuǎn)換發(fā)射、多步激發(fā)Z型體系等多種機(jī)理,實(shí)現(xiàn)從紫外到近紅外的寬光譜太陽能驅(qū)動(dòng)的分解水制氫,為太陽能的有效化學(xué)利用提供新的途徑和啟發(fā)。第一部分,由于碳量子點(diǎn)(CQDs)具有合成簡(jiǎn)便、環(huán)境友好、吸收截面大、上轉(zhuǎn)換發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)等優(yōu)勢(shì),本身擁有良好光催化產(chǎn)氫活性的石墨相氮化碳納米片(CNNS)的紫外-可見(UV-Vis)吸收光譜和CQDs的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜能夠部分發(fā)生重疊,構(gòu)成光譜耦合,進(jìn)而彌補(bǔ)CNNS由于帶隙過寬而無近紅外響應(yīng)的缺陷,實(shí)現(xiàn)從紫外光到近紅外光的寬波段光催化響應(yīng)。進(jìn)一步地,CQDs相對(duì)于CNNS具有吸電子效應(yīng),可以與CNNS形成電子耦合,從而極大地促進(jìn)能量傳遞和電荷轉(zhuǎn)移。基于此,本文通過一步水熱法合成了一種新穎的無金屬組分的光催化劑CNNS/CQDs,具有近紅外光誘導(dǎo)產(chǎn)氫活性。其優(yōu)異的光催化性能來源于CNNS與CQDs的光譜耦合和電子耦合的協(xié)同作用,同時(shí)改善了寬波段吸收與光誘導(dǎo)電荷分離。除了促進(jìn)全光與可見光光催化活性外,首次實(shí)現(xiàn)了完全不含金屬組分的光催化劑用于近紅外光驅(qū)動(dòng)還原水產(chǎn)氫。第二部分,Z型體系是對(duì)自然界光合作用的仿生體系,基于兩步激發(fā)原理,使得兩種光催化材料在不需要滿足熱力學(xué)帶寬的前提下分別實(shí)現(xiàn)水的光氧化和光還原,可以解決單一半導(dǎo)體難以直接利用低能量光子完成水的全分解的問題。目前已報(bào)道的Z型光解水催化劑絕大多數(shù)都是由紫外或者可見光響應(yīng)的材料構(gòu)成,無法在近紅外條件下釋放出產(chǎn)氫活性。本文創(chuàng)造性地將具有窄帶隙的部分還原石墨烯(PRG)和具有中窄帶隙的W12PO38.5(WPO)復(fù)合氧化物通過煅燒法一步復(fù)合,使二者緊密結(jié)合并通過合適的導(dǎo)帶-價(jià)帶位置構(gòu)成Z型體系的還原端和氧化端。與此同時(shí),將石墨烯中的含氧取代基部分脫除并將磷鎢酸中的六價(jià)鎢部分還原為五價(jià),五價(jià)鎢可以充當(dāng)全固態(tài)直接Z型光解水體系的電子中介體。該工作首次實(shí)現(xiàn)了近紅外條件下的Z型體系光催化純水產(chǎn)氫。
【關(guān)鍵詞】：光催化 近紅外 碳基材料 制氫
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36;O644.1
【目錄】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第一章 緒論12-38
• 1 引言12
• 2 半導(dǎo)體光催化反應(yīng)原理與應(yīng)用12-14
• 2.1 半導(dǎo)體光催化反應(yīng)原理12-13
• 2.2 半導(dǎo)體光催化反應(yīng)的應(yīng)用13-14
• 3 石墨烯基光催化材料概述14-18
• 3.1 石墨烯作為電子受體15-16
• 3.2 石墨烯作為助催化劑16-17
• 3.3 石墨烯作為光敏劑17
• 3.4 石墨烯作為p-n異質(zhì)結(jié)中的p型或n型半導(dǎo)體17-18
• 4 石墨相氮化碳（G-C_3N_4）18-23
• 4.1 石墨相氮化碳的制備方法20
• 4.2 石墨相氮化碳的應(yīng)用20-23
• 5 近紅外光催化研究現(xiàn)狀23-26
• 5.1 CQDs的上轉(zhuǎn)換性質(zhì)24-25
• 5.2 CQDs的光催化應(yīng)用25
• 5.3 CQDs的光電催化分解水應(yīng)用25-26
• 6 論文選題與主要研究?jī)?nèi)容26-28
• 參考文獻(xiàn)28-38
• 第二章 無金屬催化劑CNNS/CQDS用于近紅外驅(qū)動(dòng)還原水產(chǎn)氫38-56
• 1 引言38
• 2 催化劑設(shè)計(jì)構(gòu)思38-39
• 3 實(shí)驗(yàn)部分39-42
• 3.1 實(shí)驗(yàn)試劑39
• 3.2 實(shí)驗(yàn)儀器39-40
• 3.3 催化劑的制備（圖 2-1）40-41
• 3.4 光催化活性測(cè)試41-42
• 3.5 外量子效率（EQE）測(cè)試42
• 4 結(jié)果與討論42-47
• 4.1 形貌及組成分析42-43
• 4.2 結(jié)構(gòu)表征43-47
• 5 催化劑性能研究47-51
• 5.1 光催化性能測(cè)試47-48
• 5.2 光催化機(jī)理研究48-51
• 6 結(jié)論51-52
• 參考文獻(xiàn)52-56
• 第三章 近紅外驅(qū)動(dòng)Z-型體系光催化分解水研究56-70
• 1 引言56-57
• 2 催化劑設(shè)計(jì)構(gòu)思57-58
• 3 實(shí)驗(yàn)部分58-61
• 3.1 實(shí)驗(yàn)試劑58
• 3.2 實(shí)驗(yàn)儀器58-59
• 3.3 催化劑的制備59
• 3.4 光催化活性測(cè)試59-60
• 3.5 光電測(cè)試60-61
• 4 結(jié)果與討論61-67
• 4.1 材料的結(jié)構(gòu)表征61-65
• 4.2 光催化產(chǎn)氫性能測(cè)試65-67
• 5 結(jié)論67-68
• 參考文獻(xiàn)68-70
• 第四章 總結(jié)與展望70-72
• 1 總結(jié)70
• 2 展望70-72
• 碩士期間所獲科研成果及參與課題72-73
• 致謝73

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