新型可见光解水制氢催化剂的研究
2021年半导体光催化制氢的进展
《能源材料》课程论文 欧阳光明（2021.03.07） 题目：半导体光催化水解制氢的进展 指导教师：毛景 学生姓名：朱永坤学号： 20130800830 专业：建筑结构及功能材料 院（系）：材料科学与工程 2016年 6月 8 日关键词：半导体；光催化；太阳能；电解水；制氢； 改性。 引言： 在上课过程中老师讲到的新能源汽车当中的氢燃料池 汽车让我对氢能的开发利用产生了浓厚的兴趣，就想着 写一篇关于氢能方面的文章。结合老师上课过程提到的 太阳能制氢，就定位在了半导体光催化制氢这个主题 了。 目前，氢气在氢燃料电池汽车当中得到了广泛的应 用，氢燃料电池通过液态氢与空气中的氧结合而发电，根 据此原理而制成的氢燃料电池可以发电用来推动汽车。 氢燃料电池汽车是终极环保汽车。氢燃料电池汽车零排 放，且一次加氢续驶里程长，加氢时间短，相当于汽油 车，一直以来被作为新能源汽车技术路线之一。 但是，到目前为止，氢燃料电池汽车，并没有得到大 范围的普及，因为一些技术条件的短板暂时限制了它的应 用。其中最大的问题就是氢气来源问题，世界上很多国家
的氢燃料的生产并不是以水为原料，而是以天然气作为生 产原料，先前讲到了，如果要电解水取得氢气，那需要很 大的能量消耗，而且要生产出能量值与普通汽油燃料相当 的氢燃料，我们就需要大量的水资源，水同样也是我们这 个星球稀缺的资源。同时，氢气的储存和运输过程又要耗 费很大的能量，所以到目前为止，要驱动一辆氢燃料电池 汽车，所需能耗太大，还不能达到节能环保的目的。麻省 理工学院的一些能源专家则提出，氢燃料电池车真正要 “跑起来”，至少还需要15年的时间。 那么，如何低能耗，效率高地制备氢气成为了氢燃料 汽车的一个瓶颈，目前制备氢气有也有很多方法，包括热 化学法制氢，光电化学分解法制氢，光催化法制氢，人工 光合作用制氢，生物制氢等，在这里重点介绍一下光催化 制氢的一些新的研究和进展。 摘要: 氢能具有高效、清洁、无污染、易于产生、便于输运 和可再生等特点,是最理想的能源载体。因此，氢能将会成 为未来化石能源的主要替代能源之一，利用可再生能源制 取氢气是未来能源发展的必然趋势。 利用太阳能直接从水中获得的氢气,氢气又可作为能源燃料,燃烧产物是水,它以最清洁环保的形态回到自然生态循环中,这是一种完全的可持续开发的能源利用的途径。 背景: 光解水制氢技术始自1972年，由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现TiO2单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。 利用太阳能分解水制氢或将太阳能直接转化为化学能逐渐成为能源领域的研究热点之一。近年来,太阳能利用的研究、特别是利用
异质结纳米材料光催化性能
密级★保密期限：（涉密论文须标注） Z S T U Zhejiang Sci-Tech University 硕士学位论文 Master’s Thesis 中文论文题目: p-n型Cu2O/TiO2异质结纳米材料的结构及其光催化性能研究 英文论文题目：Structure and photocatalytic performance of p-n heterojunction Cu2O/TiO2 nanomaterals 学科专业：应用化学 作者姓名：周冬妹 指导教师：王惠钢 完成日期：2015年1月
浙江理工大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日
目录 中文摘要 ..................................................................................................................................... I Abstract .......................................................................................................................................... II 第一章前言. (1) 1.1背景 (1) 1.2文献综述 1.2.1纳米TiO2概述 (1) 1.2.2纳米Cu2O概述 (2) 1.2.3 p-n异质结用于光催化的基本原理 (2) 1.2.4p-n型Cu2O/TiO2异质结纳米材料光催化反应的研究进展 (4) 1.3本课题的选题思路及研究内容 (6) 参考文献 (7) 第二章还原法制备的Cu2O/TiO2异质结纳米颗粒及其光催化性能 (11) 2.1引言 (11) 2.2实验 (11) 2.2.1主要试剂和仪器 (11) 2.2.2实验方法和步骤 (12) 2.3实验结果与讨论 (13) 2.3.1Cu2O/TiO2颗粒的表征 (13) 2.3.1.1XRD表征 (13) 2.3.1.2XPS表征 (14) 2.3.1.3SEM与TEM表征 (15) 2.3.1.4PL表征 (17) 2.3.1.5DRS表征 (18) 2.3.2光催化性能实验 (19) 2.3.2.1光催化降解装置 (19) 2.3.2.2对亚甲基蓝的光催化降解性能 (19) 2.3.3Cu2O/TiO2复合材料中Cu2O颗粒的粒径调控 (20) 本章小结 (23)
光催化制氢催化剂制备
光催化剂制氢的研究 学院：化学化工学院 专业：应用化学 班级:应091—1 学号：200821501135 姓名:杨克利
光催化剂制氢的研究 概述：近几十年来，随着全球能源需求的持续增长，寻找新能源的研究越来 越受到人们的关注。氢能，它作为二次能源，具有清洁、高效、安全、可贮存、可运输等诸多优点，已普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源，因此受到了各国的高度重视。 光解水制氢技术始自1972年，由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现TiO2单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催化(heterogeneous photocatalysis)的演变和TiO2以外的光催化剂的相继发现，兴起了以光催化方法分解水制氢(简称光解水)的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。 光解水原理：光催化反应可以分为两类“降低能垒”(down hil1)和“升高能垒”(up hil1)反应。光催化氧化降解有机物属于降低能垒反应，此类反应的△G<0，反应过程不可逆，这类反应中在光催化剂的作用下引发生成O2-、HO2 、OH·、和H+ 等活性基团。水分解生成H2和O2则是高能垒反应，该类反应的△G>0(△G=237 kJ/mo1)，此类反应将光能转化为化学能。 要使水分解释放出氢气，热力学要求作为光催化材料的半导体材料的导带电位比氢电极电位EH+/H2稍负，而价带电位则应比氧电极电位Eo2/H2O 稍正。光解水的原理为：光辐射在半导体上，当辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，然后分别在半导体的不同位置将水还原成氢气或者将水氧化成氧气。Khan等提出了作为光催化分解水制氢材料需要满足：高稳定性，不产生光腐蚀；价格便宜；能够满足分解水的热力学要求；能够吸收太阳光。 光催化剂的研究： 1.钽酸盐 钽酸盐ATaO3(A =Li,K) ,A2SrTa2O7 · nH2O (A = H, K, Rb) 等虽然化学成分不同，但是它们的晶体结构类似，共同点是都具八面体TaO6。Kato H等对钽酸盐系列的LiTaO3 、NaTaO3、KTaO3的光催化活性进行了研究，发现无负载的LiTaO3、NaTaO3在紫外光的照射下均取得了较好的光催化效果，而负载NiO的NaTaO3，在紫外光的照射下，其分解水的活性显著提
Zr-MOFs基复合光催化剂的电荷转移及其光解水制氢性能研究
Zr-MOFs基复合光催化剂的电荷转移及其光解水制氢性能研究金属-有机框架材料（MOFs）具有多孔性、超高的比表面积、不饱和金属位点及可调控的结构与功能等特点,也被称之为“未来窄带系半导体材料”,目前广泛应用于能源转换与环境领域。然而,MOFs 相对较差的光吸收能力及高的光生电子-空穴对复合机率限制了其在光催化分解水领域的应用。因此,设计具有高效光生电子-空穴对分离与转移能力的催化剂,对提高光解水制氢效率具有十分重要的意义。为此,本论文选择以水稳定性优异及多孔的锆基金属-有机框架材料（UiO-66-NH2）为载体,设计合成不同类型的具有高效电荷分离与转移效率的UiO-66-NH2基复合光催化剂。系统表征其结构、形貌与光催化分解水产氢性能,并结合光电化学性能测试、瞬/稳态荧光光谱、电子顺磁共振、第一性原理计算等手段探讨复合光催化剂中光生电子-空穴对的分离和转移机制。相关研究成果如下:（1）通过一步水热法将 H3PW12O40固载在具有多孔性和水稳定型优异的UiO-66-NH2中,制备出 PW12@UiO-NH2复合光催化剂。旨在利用多金属氧酸盐（POMs）所具有的可调控的氧化还原活性和多电子转移等特性,构筑POMs@MOFs复合材料,以期有效改善单一MOFs光催化过程中光生电子-空穴对易于复合的问题。光催化分解水产氢和降解RhB性能测试结果表明,与UiO-66-NH2相比,RhB的降解和光催化分解水产氢性能均明显提升。结合光电化学性能测试以及瞬/稳态
石墨相氮化碳可见光催化分解水制氢
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/6815388729.html, 石墨相氮化碳可见光催化分解水制氢 作者：刘澈 来源：《中国科技纵横》2018年第01期 摘要：随着人们对光催化剂研究的深入，利用光催化剂将水裂解产生氢气已经成为可以 将太阳能转化为化学能的有效手段。各种氧化物、氮化物和硫化物光催化剂因其各自具有独特的光催化性能而受到广泛的研究。为进一步提高其在实际应用中的光催化效果，提高可见光利用率，科研学者们尝试了各种方法进行改进，如掺杂改性、复合改性、形貌调整等等。本文依据前辈专家学者的科研成果，简单的从可见光利用方面阐述了现阶段可见光催化剂的研究和进展。 关键词：光解水制氢；石墨相氮化碳；可见光 中图分类号：TQ426 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0210-02 1 概述 随着人类社会的快步发展，人类对能源的需求持续增长，地球储存的能源已经无法满足人类长期的发展需求。同时化石能源的大量使用造成了环境大面积的破坏，严重威胁了人类的生存健康，寻求一种清洁高效的新能源成为能源发展的新方向。氢能，作为一种二次能源具有着清洁，高效，热值高，原料广等优点，被认为是一种最理想的无污染绿色能源。但是，氢在地球上主要是以化合物的形式存在，最广泛的来源就是水。工业上往往用电解水制氢、煤炭气化制氢等方式制备氢气，都存在着能耗高，会带来污染等问题。 光催化剂是进行光解水制氢的基本要素，半导体光催化剂的催化原理可以用能带理论来解释，半导体存在着不连续的能带结构，价带和导带之间存在着具有一定宽度的禁带，当半导体光催化剂受到等于或高于其禁带宽度的光子能量的太阳光照射时，价带上的电子就会跃迁到导带上，同时在价带上产生相应的空穴，形成电子-空穴对。电子、空穴在一定的作用力下迁移至粒子的表面，因其具有较强的氧化还原能力，从而使附着在粒子表面不能吸收光的物质发生氧化还原反应。光解水制氢技术的首次提出是在1972年，日本东京大学的Fujishima教授[1]发现二氧化钛单晶电极经过太阳光的照射可以将水分解为氧气和氢气，直接将太阳能转化为化学能。在这样的基础之上，各种各样的光催化剂被科学研究者们发现，本文旨在从光催化剂的角度出发，就现存的一些利用可见光解水制氢的方法进行简单的介绍以及其研究进展。 2 研究现状综述 石墨相氮化碳即g-C3N4是一种具有优异光催化性能的非金属半导体，其组成元素是地球上含量丰富的C和N，相比于金属半导体而言成本较低。且g-C3N4具有密度低、化学稳定性好、耐磨性强[2]等优点。由于g-C3N4的禁带带宽合适，在2.7eV左右，可以吸收太阳光谱中
基于g-C_3N_4传统Ⅱ型异质结和Z型异质结复合光催化剂的构建及其性能研究
基于g-C_3N_4传统Ⅱ型异质结和Z型异质结复合光催化剂的构 建及其性能研究 光催化技术可以有效地将有机污染物降解转化为CO2、 H2O等无机小分子,已成为染料废水处理领域最有前景的绿色技术 之一。本文开展了基于石墨相氮化碳（g-C3N4）复合光催化剂的制备、表征测试及其光催化降解罗丹明B（RhB）的研究工作,旨在解决g-C3N4光催化活性低、光生电子-空穴易复合和太阳能利用率低的问题。 （1）利用溶剂热法和高温煅烧法分别制备了中空微球状CdS和块体 g-C3N4,然后通过煅烧法成功制得了传统Ⅱ型 CdS/g-C3N4异质结光催化剂,并对其晶相结构、表面形态、微观形貌、光电化学特性等进行了系统地研究。并通过 CdS/g-C3N4光催化降解RhB研究其光催化活性和稳定性。 实验结果表明CdS/g-C3N4复合光催化剂具有良好 的光催化活性,当CdS掺杂比为0.25 wt%时,CdS/g-C3N4复合光催化剂具有最佳的光催化活性,其20 min光催化降解RhB速率常数 (Kobs)约为单体g-C3N4的2.1倍。同时4次循环实验后,RhB的降解率依然能达到95%,这表明 CdS/g-C3N4复合光催化剂具有良好的光催化稳定性。 此外,CdS/g-C3N4异质结光催化剂的构建可以有效 解决CdS光腐蚀的问题。基于以上表征测试和活性物种捕获实验结果,我们从光
光催化制氢
光催化制备氢气进展报告 中文摘要 太阳光光催化水解制氢就是解决能源与环境问题得一重要途径。有效地实现可见光催化水解制氢技术得关键在于光催化材料得选择与光催化体系得选择.本文介绍了光催化制氢原理，以及光催化剂在改性研究、光催化剂催化体系得研究进展与研究方向。 关键词:制氢光催化改性光催化体系ＴiO2 1引言 随着人口与经济得迅速增长,世界能源得消耗成倍增长，加速了化石燃料得枯竭,因而寻找新能源代替化石燃料已刻不容缓.在新能源领域中,氢能已普遍被认为就是一种最理想得新世纪无污染得绿色能源，这就是因为氢燃烧,水就是它得唯一产物。氢就是自然界中最丰富得元素，它广泛地存在于水、矿物燃料与各类碳水化合物中。 然而，传统得制氢方法，需要消耗巨大得常规能源，使氢能身价太高，大大限制了氢能得推广应用。于就是科学家们很快想到利用取之不尽、廉价得太阳能作为氢能形成过程中得一次能源，使氢能开发展现出更加广阔得前景。科学家们发现了以光催化材料为“媒介"，能利用太阳能把水裂解为燃料电池所必需得氧与氢，科学家称这种仅用阳光与水生产出氢与氧得技术为“人类得理想技术之一”. １、１半导体制氢原理 图1所示为半导体光催化制氢反应得基本过程:半导体吸收能量等于或大于禁带宽度得光子,将发生电子由价带向导带得跃迁,这种光吸收称为本征吸收.本征吸收在价带生成空穴,在导带生成电子，这种光生电子－空穴对具有很强得还原与氧化活性，由其趋动得还原氧化反应称为光催化反应。如图1所示，光催化反应包括，光生电子还原电子受体H+与光生空穴氧化电子给体D—得电子转移反应，这两个反应分别称为光催化还原与光催化氧化。根据激发态得电子转移反应得热力学限制,光催化还原反应要求导带电位比受体得电位（H+/H２）偏负，光催化氧化反应要求价带电位比给体得电位(D/D—）偏正；换句话说，导带底能级要比受体得电位(H＋/H２)能级高,价带顶能级要比给体得电位(D/D－）能级低.在实际反应过程中，由于半导体能带弯曲及表面过电位等因素得影响，对禁带宽度得要求往往要比理论值大.也就就是说,能够实现完全分解水得到氢气与氧气光催化材料得带隙必须大于１、２3eＶ,并且导带与价带得位置相对氢标准电极电位得位置合适。
水光解制氢
光解水制氢 近几十年来，随着全球能源需求的持续增长，寻找新能源的研究越来越受到人们的关注。氢能，它作为二次能源，具有清洁、高效、安全、可贮存、可运输等诸多优点，已普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源，因此受到了各国的高度重视。自1972年日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报导TiO2单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象后，揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催化(heterogeneous photocatalysis)的演变和TiO2以外的光催化剂的相继发现，兴起了以光催化方法分解水制氢(简称光解水)的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。本文概括众多的研究论文，就该领域的最新研究进展作一综述。 1. 光解水的原理 光催化反应可以分为两类“降低能垒”(down hil1)和“升高能 垒”(up hil1)反应。光催化氧化降解有机物属于降低能垒反应，此类反应的△G<0，反应过程不可逆，这类反应中在光催化剂的作用下引发生成O2-、HO2 、OH·、和H+ 等活性基团。水分解生成H2和O2则是高能垒反应，该类反应的△G>0(△G=237 kJ／mo1)，此类反应将光能转化为化学能。 要使水分解释放出氢气，热力学要求作为光催化材料的半导体材料的导带电位比氢电极电位EH+/H2稍负，而价带电位则应比氧电极电位Eo2/H2O 稍正。光解水的原理为：光辐射在半导体上，当辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，然后分别在半导体的不同位置将水还原成氢气或者将水氧化成氧气。Khan等提出了作为光催化分解水制氢材料需要满足：高稳定性，不产生光腐蚀；价格便宜；能够满足分解水的热力学要求；能够吸收太阳光。 2 光催化剂的研究 2.1 钽酸盐 钽酸盐ATaO3(A =Li,K) ,A2SrTa2O7 · nH2O (A = H, K, Rb) 等虽然化学成分不同，但是它们的晶体结构类似，共同点是都具八面体TaO6。Kato H等对钽酸盐系列的LiTaO3 、NaTaO3、KTaO3的光催化活性进行了研究，发现无负载的LiTaO3、NaTaO3在紫外光的照射下均取得了较好的光催化效果，而负载NiO的NaTaO3，在紫外光的照射下，其分解水的活性显著提高，量子效率达到了28％，然而当LiTaO3和KTaO3负载NiO后，其光催化活性反而降低了，其原因可从钽酸盐的导带位置得到解释，NaTaO3的导带位置比NiO的导带高，因此，在NaTaO3的导带产生的光生电子很容转移到NiO
太阳能光催化制氢技术原理
太阳能光催化制氢技术原理 在新能源领域中，氢能已普遍被认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源，这是因为氢燃烧，水是它的唯一产物。氢是自然界中最丰富的元素，它广泛地存在于水、矿物燃料和各类碳水化合物中。 然而，传统的制氢方法，需要消耗巨大的常规能源，使氢能身价太高，大大限制了氢能的推广应用。于是科学家们很快想到利用取之不尽、廉价的太阳能作为氢能形成过程中的一次能源，使氢能开发展现出更加广阔的前景。科学家们发现了以光催化材料为“媒介”，能利用太阳能把水裂解为燃料电池所必需的氧和氢，科学家称这种仅用阳光和水生产出氢和氧的技术为“人类的理想技术之一”。 太阳能光催化制氢技术的原理 我们知道，在标准状态下把1mol水（18克）分解成氢气和氧气需要约285kJ的能量，太阳能辐射的波长范围是200~2600nm，对应的光子能量范围是400~45kJ/mol。但是水对于可见光至紫外线是透明的，并不能直接吸收太阳光能。因此，想用光裂解水就必须使用光催化材料，科学家们往水中加入一些半导体光催化材料，通过这些物质吸收太阳光能并有效地传给水分子，使水发生光解。以二氧化碳钛半导体光催化材料为例，当太阳光照射二氧化化钛时，其价带上的电子（e-）就会受激发跃迁至导带，同时在价带上产生相应的空穴（h＋）,形成了电子空穴对。产生的电子（e-）、空穴(h＋)在内部电场作用下分离并迁移到粒子表面。水在这种电子-空穴对的作用下发生电离生成氢气和氧气。 太阳能光催化制氢技术的研究现状 技术研究的关键主要集成电路中在光催化材料的研究方面，光催化材料要满足以下几个条件：（1）光催化材料裂解水效率较高；（3）光催化材料最好要可能利用太阳所有波段中的能量。光裂解水制氢以半导体为催化材料，一般为金属氧化物和金属硫化物，然而，目前研究者一般均选用二氧化钛作为光催化氧化的稳定性好，但是由于二氧化钛无臭、无毒，化学稳定性好，但是由于二氧化钛的禁带宽度较宽，只能利用太阳光中的紫外光部分，而紫外光只占太阳光总能量的4％，如何减低光催化材料的禁带宽度，使之能利用太阳光中可见光部分（占太阳能总能量的43％），是太阳能裂解水制氢技术的关键。 国内研究现状 国内研究太阳能裂解水不是很多，但是近几年来有明显增加趋势。最近，这项研究又有了新的大突破。 大连物理化学研究所李灿研究组在2003年7月《化学通讯》上报道，发现了一种新的光催化材料，它由铟锌的硫化物组成，能在太阳可见光照射下裂解水，连续产生氢气和氧气，并且效率保持稳定。 2003年9月南京大学环境材料与再生能源研究中心主任邹志刚通过与日本产业技术综合研究所的合作研究，向社会公布了"可见光响应型水全分解光催化剂"这一重大科研成果，研制出一种新型的光催化材料，它由铟钽氧化物组成，表面有一层镍氧化物。这种催化材料在可见光波段起作用，它的催化效率和使用寿
MOF半导体异质结的构建及其光催化性能研究
MOF/半导体异质结的构建及其光催化性能研究金属-有机框架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs),也表示为多孔配位聚合物(PCP),是一类由金属离子/团簇和有机配体通过配位键自组装组成周期性的、网络结构的、多孔性的固态晶体材料。这类材料由于其高孔隙率、规则和可 调的孔结构以及高比表面积等特殊的物理化学性质,已引起人们对其在选择性气体吸附分离,储氢,化学传感,多相催化,和药物输送等方面广泛的关注。 MOFs的次级结构单元是金属氧簇结构,能表现出类似半导体的行为,因此近年来其在光催化领域中引起了广大科研人员的广泛关注。其在光生电子空穴的的有效分离上具有独特的优势,但存在带隙较宽等缺陷。 因此,本论文在MOFs片和W18O49纳米线的合成基础上,设计构建了2种MOFs/半导体异质结及其复合材料,用于光催化研究。具体研究内容如下:1)在Cd-MOF纳米片合成的基础上,采用原位硫化的方法,温和条件下,制备了 CdS/Cd-MOF二元异质结构复合材料,并应用于光催化制氢。 实验结果表明,由于独特的异质结构和高效的电荷分离效率以及传输特 性,CdS/Cd-MOF纳米片在没有额外的Pt助催化剂负载的情况下,在可见光照射(λ>420nm)下,产氢速率高达4927μmol-1g-1,是纯CdS纳米粒子的25倍。同时,具有出色的稳定性和可再循环性。 反应20h后,其产氢速率没有显著下降。这种原位构建二元片状光催化剂的 方法,为设计合成先进的2D复合催化材料开辟了新的途径。 2)首先通过溶剂热法成功制备了具有高纵横比的W18049纳米线,再通过表面活性剂修饰的方法,将溶剂热法合成的W18049纳米线表面用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)进行改性,在纳米线表面均匀生长尺寸约为20nm的金属有机框架
最新光催化分解水材料研究总结全解
光催化分解水材料研究总结 班级：xxxxx 学号：xxxxx 姓名：xxx 一·研究小组简介 彭绍琴：1985年毕业于南昌大学（原江西大学）无机化学专业，获理学学士学位。 1993,2-1994，6北京大学访问学者；1999年7月研究生毕业于南昌大学物理化学专业，获理学硕士学位；2005年7月研究生毕业于南昌大学材料物理与化学专业，获工学博士学位。目前是江西省高校骨干教师，南昌大学无机化学和应用化学，长期从事无机化学、材料化学的教学和科研工作。在无机功能材料、纳米材料、光催化领域有较长时间的工作积累，在国内外重要学术刊物上发表论文30余篇。参与完成国家自然科学基金和“973”项目2项，主持和完成江西省自然科学基金各1项。主持和完成江西省教育厅项目各1项。 上官文峰：日本国立长崎大学工学博士，原日本国工业技术院科学技术特别研究员， 曾先后任北京大学、东京大学高级访问学者。现任上海交通大学教授、博士生导师，机械与动力学院燃烧与环境技术研究中心副主任。主要从事环境催化与材料、光催化、太阳能制氢、燃烧排放及柴油机尾气催化净化、纳米材料制备及其功能开发等领域的研究。主要负责承担了国家863计划、国家973计划、国家自然科学基金、上海市重点发展基金、海外合作等项目。在Chem Commun, J Phys Chem B, Appl Catal A & B,《科学通报》等国际国内权威期刊上发表了一系列学术论文，取得日本国发明专利 4 项，并获日本政府“注目发明”奖 1 项。获国家发明专利10 余项，获省部级科学技术进步奖 2 项。教育部“跨世纪优秀人才”培养计划入选者，中国化学会催化专业委员会委员，中国太阳能学会氢能专业委员会委员，中国仪表材料学会理事，973计划“太阳能规模制氢的基础研究”项目专家组成员，《环境污染与防治》杂志编委，亚太纳米科技论坛ISNEPP2006、2007学术委员会委员。 李越湘：男，博士，教授，博士生导师，南昌大学科技处副处长。南昌大学材料物 理与化学重点学科光催化方向学术带头人，江西省高校中青年学科带头人，2004年获江西省科学技术协会“江西青年科学家提名”称号。现为中国太阳学会氢能专业委员会委员,《功能材料》通讯编委。1984年大学本科毕业于江西大学化学系，获学士学位；1996，10-1997，12国家公派到德国科隆大学（(Universitaet zu Koeln)）做访问学者，期间得到德国学术交流中心(DAAD)短期奖学金资助；2002年研究生毕业于中国科学院研究生院（兰州化学物理所），获理学博士学位；2006年6月-11月国家公派到德国汉诺威大学(Leibniz Universitaet Hannover)做高级研究学者。长期从事光催化、无机材料、环境化学等方向的研究，已在国内外重要学术刊物上发表了学术论文50余篇，其中18篇为SCI论文，4篇为EI。作为主要承担者完成省科技厅攻关项目一项和多项横向项目，主持和参与（排名第二）完成江西省自然科学基金各一项。目前承担973计划（国家重点规划基础研究项目）二级子项目和省自然科学基金项目各一项。 尚世通(1985一)：男，山东省成武县人，东北电力大学硕士研究生，主要从事水质科学与技术研究工作。 宋华(1963-)：女，工学博士，教授、博导，现系大庆石油学院化学化工学院副院长，从
【文献综述】光解海水制氢氮化物催化剂的研究
文献综述 化学工程与工艺 光解海水制氢氮化物催化剂的研究 前言： 随着能源问题的出现，寻找一种可持续发展的能源，是当前许多研究者的探索目标。而氢能源是一种良好的能源，如果能从谁中提取，将是人类的财富。利用光催化分解水制氢是当前研究的一个热点，但是光自然分解水的反应很难进行，于是研究催化剂就成了重中之重。 主题： 近几十年来，随着世界经济的不断发展,全球对能源需求的也持续增长。而作为现代文明社会使用的主要能源—煤、石油、天然气，由于其贮量日益枯竭且不可再生，所以近年来能源价格出现不断上涨趋势。而燃烧这些化石能源会排放大量的温室气体，造成全球变暖，气候异常，环境恶化，造成诸多不良影响。随着近年国际能源价格不断上扬，人们环保意识的不断加强，寻找新的廉价清洁的化石能源替代品的研究越来越受到重视。 氢能源已经被普遍认为是一种理想的新世纪无污染的二次能源，这是因为氢气燃烧后，水是唯一的产物，另外氢能作为二次能源具有能量密度高、再转化效率高、成本低是最具竞争力的能源[1]。 氢在大自然中并不存在，虽然可以通过电解、天然气裂解等方法制备氢气，但是这些方法制备氢气成本过高，直接限制了它的使用范围。氢大量存在于水中，如果能够有效的直接利用太阳能制备氢，就可以大幅度的降低它的制造成本，使其得到广泛的应用。20世纪70年代中期发明TiO2为光催化剂，直接利用太阳能制备氢，从而解决了设备价格和使用寿命的问题。但是TiO2催化效率偏低，造成能量大量浪费，同时制氢能力低下，阻碍了它进一步的推广使用。因此，提高TiO2光催化剂的性能一直是太阳能制氢研究的领域热点和难点，也是将其实用化和商业化的关键。 综上所述，研究和改良现有TiO2光解水催化剂的性能，对提高太阳能制氢转化效率，
近期关于光催化水解制氢气研究报告综述
以二氧化钛为基质的催化剂的研究综述 温邻君杨晓奕 <北京航空航天大学，北京，100191） 摘要：本文系统地介绍了关于光致水解制氢气的催化剂的近期研究进展。从以下几个提高催化活性的方向：贵金属负载、离子掺混、染色光敏化处理、复合半导体及化学牺牲剂等，结合最新的研究成果，总结各种改善高催化活性思路的科研进展，系统地比较各个方法的特点，提出自己的看法。并展望该领域未来的发展。 关键词：TiO2、光催化水解制氢、催化剂改性技术、电子-空穴、牺牲剂、量子效率 Abstract：This paper reports the recent developments in photocatalytic water-splitting for hydrogen production. Basing on the following methods to improve the catalytic activity: noble metal loading, ion doping, dye sensitization, composite semiconductors andchemical additives. Combines with the recent research results to summarize the developments in those methods.Systematically comparesthe characteristics of the various methods and gives my own opinions. At last, look forward to the future in this area. Key words: TiO2, photocatalytic water-splitting for hydrogen production,photocatalyst modification techniques, electron -role, sacrificial reagents, quantum efficiency
半导体光催化制氢的进展.
《能源材料》课程论文 题目：半导体光催化水解制氢的进展 指导教师：毛景 学生姓名：朱永坤学号：20130800830 专业：建筑结构及功能材料 院（系）：材料科学与工程 2016年6月8 日
关键词：半导体；光催化；太阳能；电解水；制氢；改性。 引言： 在上课过程中老师讲到的新能源汽车当中的氢燃料池汽车让我对氢能的开发利用产生了浓厚的兴趣，就想着写一篇关于氢能方面的文章。结合老师上课过程提到的太阳能制氢，就定位在了半导体光催化制氢这个主题了。 目前，氢气在氢燃料电池汽车当中得到了广泛的应用，氢燃料电池通过液态氢与空气中的氧结合而发电，根据此原理而制成的氢燃料电池可以发电用来推动汽车。 氢燃料电池汽车是终极环保汽车。氢燃料电池汽车零排放，且一次加氢续驶里程长，加氢时间短，相当于汽油车，一直以来被作为新能源汽车技术路线之一。 但是，到目前为止，氢燃料电池汽车，并没有得到大范围的普及，因为一些技术条件的短板暂时限制了它的应用。其中最大的问题就是氢气来源问题，世界上很多国家的氢燃料的生产并不是以水为原料，而是以天然气作为生产原料，先前讲到了，如果要电解水取得氢气，那需要很大的能量消耗，而且要生产出能量值与普通汽油燃料相当的氢燃料，我们就需要大量的水资源，水同样也是我们这个星球稀缺的资源。同时，氢气的储存和运输过程又要耗费很大的能量，所以到目前为止，要驱动一辆氢燃料电池汽车，所需能耗太大，还不能达到节能环保的目的。麻省理工学院的一些能源专家则提出，氢燃料电池车真正要“跑起来”，至少还需要15年的时间。 那么，如何低能耗，效率高地制备氢气成为了氢燃料汽车的一个瓶颈，目前制备氢气有也有很多方法，包括热化学法制氢，光电化学分解法制氢，光催化法制氢，人工光合作用制氢，生物制氢等，在这里重点介绍一下光催化制氢的一
光解制氢
随着人类经济活动的不断发展，石油、天然气、煤等“地壳资源”日趋短缺，且这类能源的利用给环保带来的压力日趋严重，开发新型无污染、可持续利用的能源已成为急待解决的问题。氢作为二次能源，是一种热值很高的清洁能源，其完全燃烧的产物———H2O，不会给环境带来任何污染，而放热量是相同质量汽油的2.7倍，氢能源还兼具安全、可贮存、可运输等诸多优点。氢气还是一种用途广泛的化工原料，如合成氨、不饱和烃类的加氢精制过程都要消耗大量的氢，因而开发低能耗、高效的氢气生产方法，已成为国内外众多科学家共同关注的问题，其中借助半导体催化剂作用，通过光电过程利用太阳能这用之不竭的一次性能源分解水制氢被公认为是最有前途的方法之一，我国对该领域也十分重视。 1 光催化技术制氢原理 在标准状态下将1 mol H2O 分解为H2和O2，需237 kJ 的能量。以TiO2 为例，其禁带宽度3.2 eV，在波长＜370 nm 的光照下，TiO2 的价带电子被激发至导带上，产生活性高的电子-空穴对。电子和空穴被光激发后，经历多个变化途径，主要存在俘获和复合这2个相互竞争过程。光致空穴具有很强的氧化性，可夺取吸附在半导体颗粒表面的有机物或溶剂中的电子，使本不吸光而无法被光子直接氧化的物质，通过光催化剂被活化氧化。光致电子具有很强的还原性，能还原半导体表面的电子受体，这2个过程均为光激活过程。同时迁移到体内和表面的光致电子和空穴又可能复合，即去激活过程，对光催化反应无效。H2O在这种电子- 空穴对的作用下发生电离，生成H2 和O2。 2 光催化技术制氢的催化剂H2O对于可见光至紫外线是透明的，并不能直接吸收太阳 光能。因此，想用光裂解H2O就必须利用光催化材料，通过催化材料吸收光能并有效地传给H2O分子，使H2O发生光解。然而到目前为止，利用催化剂光解H2O的效率还很低。日本的科研人员已经先后开发了TiO2、SrTiO3、ZrO、KrNb6O7、K2Ca2Ti3O10、BaTi4O9、K3Ta3SiO13 等多种催化剂，取得了很大的进展，尽管离工业化还有一定的距离，但这些科研成果给实现在温和条件下以H2O为原料生产H2 带来了希望。用作光催化氧化的半导体催化剂主要有TiO2、ZnO、CdS、CdO、Fe2O3、SnO2、WO3 等，这里主要介绍使用较广泛的TiO2 半导体光、ZnO 半导体、SnO2 半导体和耦合半导体4 种催化剂。 2.1 TiO2 半导体光催化剂研究人员对半导体催化作了大量研究，在已研究过的催化剂中，TiO2 因无臭、无毒，化学稳定性好，几乎无光腐蚀，是较理想的光催化剂。1972年Fujishima 和Honda第一次描述了用于电化学电解槽的TiO2 半导体电极的组成，它通过光解H2O 的方法把电能转换成氢和氧的化学能。继此研究之后，很多人对其他的氧化物半导体进行了研究，如掺铂的KTaO3和SrTiO3，但其光电转换效率明显低于TiO2。Abutter M等[6]研究了WO3 半导体，结果表明它没有电荷转移时所必需的耗尽层，在不施加额外电压的情况下，WO3 无能力单独作为光阳极光解H2O。Giordano N等研究Fe2O3 光催化材料，它和TiO2 相比，需要消耗更多的能量。经过对多种半导体特性研究之后，TiO2 再次成为人们所关注的焦点，现今广泛使用的半导体光催化剂主要是以Ti 为主的过渡金属氧化物和硫化物。其中锐钛型TiO2 因催化活性高、价廉易得、性质稳定、无毒、抗化学和光腐蚀等优点而成为众多科研工作者的首选。 2.2 ZnO 半导体光催化剂当然，除TiO2 之外的其他金属氧化物半导体光催化剂也是为人们所关注的。ZnO是一种重要的半导体材料；其体相材料的禁带宽度为 3.2 eV，对应于波长为387 nm 的紫外光。作为一种重要的光催化剂，是极少数几个可以实现量子尺寸效应的氧化物半导体材料，近年来得到了人们广泛的研究。其制备方式为：先经反应得到高分散的、易分解的前驱物，然后通过前驱物的热分解反应制得ZnO超微粒子。1）前驱物的合成。取0.1 mol/L 的硫酸锌溶液100 mL，在剧烈搅拌下滴加适量的0.5 mol/L 的NaOH 溶液后，加1.0 g 的NH4HCO3 粉末，继续搅拌0.5 h，放置1.0 h后，原料呈乳胶状，经G3漏斗抽滤，于80℃下
光解水制氢半导体光催化材料的研究进展
光解水制氢半导体光催化材料的研究进展 田蒙奎1 ,2 ,上官文峰2 ,欧阳自远1 ,王世杰1 (1. 中国科学院地球化学研究所,贵州贵阳550002 ; 2. 上海交通大学机械与动力学院燃烧与环境技术研究中心,上海200030) 摘要: 自从Fujishima2Honda 效应发现以来,科学研究者一直努力试图利用半导体光催化剂光分解水来获得既可储存而又清洁的学能———氢能。近一二十年来,光催化材料的研究经历了从简单氧化物、复合氧化物、层状化合物到能响应可见光的光催化材料。本文重点描述了这些光催化材料的结构和光催化特性,阐述了该课题的意和今后的研究方向。关键词: 光解水;氢能;半导体光催化剂中图分号: X13 文献标识码:A文章编号:100129731 (2005) 1021489204 1 引言 在能源危机和环境问题的双重压力下,氢能因其燃烧值高、储量丰富、无污染而成为最有希望替代现有化石能源的清洁能源,因而氢能的开发成了能源领域的研究热点。自从Fujishima 和Honda 于1972 年发现了TiO2 光电化学能分解水产生H2 和O2 以来[1 ] ,科学研究者实现太阳能光解水制氢一直在作不懈的努力。普遍接受的光解水制氢原理是:半导体光催化剂在能量等于或大于其禁带宽度的光辐射时,电子从最高电子占据分子轨道( HOMO ,即价带) 受激跃迁至最低电子占据分子轨道(LUMO ,即导带) ,从而在价带留下了光生空穴( h + ) , 导带中引入了光生电子(e - ) 。光生空穴和光生电子分别具有氧化和还
原能力。要实现太阳能光解水制氢和氧,光生电子的还原能力必须能还原H2O 产生H2 ,而光生空穴的氧化能力必须能氧化H2O 产生O2 ,即半导体光催化剂的导带底要在H2O/ H2 电位( E0 = 0V ,p H = 0) 的上面(导带位置越高,电位越负,还原能力越强) ;而价带顶在O2 / H2O 电位( ENHE = + 1. 23V ,p H = 0) 的下面(价带位置越低,电位越正,氧化能力越强) 。近一二十年来, TiO2 以外的光催化剂的相继发现,特别是能响应可见光的光催化材料的出现,使得光解水制氢研究进入了非常活跃时期。本文就近期太阳能光解水制氢研究进展中的半导体光催化材料作一综述。 2 简单半导体氧化物,硫化物系光催化剂目前广泛研究的简单化合物半导体材料的能带结构如图1 所示： 图1 部分半导体材料的能带结构示意图 Fig 1 Schematic diagram of band st ructure for some semiconductor s TiO2 光催化剂由于光照不发生光腐蚀、耐酸碱性好、化学性质稳定、对生物无毒性、来源丰富等优点而被广为利用。具有代表性的
石墨相氮化碳可见光催化分解水制氢
石墨相氮化碳可见光催化分解水制氢 1 概述 随着人类社会的快步发展，人类对能源的需求持续增长，地 球储存的能源已经无法满足人类长期的发展需求。同时化石能源的大量使用造成了环境大面积的破坏，严重威胁了人类的生存健康，寻求一种清洁高效的新能源成为能源发展的新方向。氢能，作为一种二次能源具有着清洁，高效，热值高，原料广等优点，被认为是一种最理想的无污染绿色能源。但是，氢在地球上主要是以化合物的形式存在，最广泛的来源就是水。工业上往往用电解水制氢、煤炭气化制氢等方式制备氢气，都存在着能耗高，会带来污染等问题。 光催化剂是进行光解水制氢的基本要素，半导体光催化剂的催化原理可以用能带理论来解释，半导体存在着不连续的能带结构，价带和导带之间存在着具有一定宽度的禁带，当半导体光催化剂受到等于或高于其禁带宽度的光子能量的太阳光照射时，价带上的电子就会跃迁到导带上，同时在价带上产生相应的空穴，形成电子 - 空穴对。电子、空穴在一定的作用力下迁移至粒子的表面，因其具有较强的氧化还原能力，从而使附着在粒子表面不能吸收光的物质发生氧化还原反应。光解水制氢技术的首次提出是在 1972 年，日本东京大学的 Fujishima 教授 [1] 发现二氧化钛单晶电极经过太阳光的照射可以将水分解为氧气和氢气，直接将太阳能转化为化学能。在这样的基础之上，各种各样的光催化剂被科学研究者们发现，本
文旨在从光催化剂的角度出发，就现存的一些利用可见光解水制氢的方法进行简单的介绍以及其研究进展。 2 研究现状综述 石墨相氮化碳即 g-C3N4 是一种具有优异光催化性能的非金 属半导体，其组成元素是地球上含量丰富的C和N,相比于金属 半导体而言成本较低。且 g-C3N4 具有密度低、化学稳定性好、耐磨性强［2］等优点。由于g-C3N4的禁带带宽合适，在2.7eV左右，可以吸收太阳光谱中波长小于475nm的光波，可见光可激发；且g-C3N4没有毒性，适用范围广，引起了学者们的广泛研究。关于石墨相氮化碳的单层结构主要有以下两种观点［3］，一种是三嗪环，一种是 3-s- 三嗪环，主要的研究对象是 3-s- 三嗪环。 g-C3N4中的C和N是以sp2形式杂化，形成的高度离域的n共轭体系［4］,其导带和价带分别处于 1.4V和-1.3V［5］，横跨在 H+/H2和OH-/O2的两侧，所以g-C3N4在分解水制氢方面有很好的应用。但是g-C3N4存在着一些问题，如电荷迁移慢、载流子复合严重、量子效率低、禁带宽度大不利于可见光的利用等。针对这些问题，国内外的专家学者们开展了大量的工作。 将g-C3N4做成纳米结构有利于增加其表面积，提高光捕获能力，缩短光生电子和空穴的迁移途径，改善光生载流子复合效率大的缺陷。Han等人［6］以双氰胺做前驱体，制备出的海草状 的 g-C3N4 具有多孔结构和更小的片层结构，比表面积大，光捕 获能力强，在可见光(入＞420nm照射下，海草状的g-C3N4的析氢速