论文部分内容阅读
立方相碳化硅（3C-Si C）作为重要的化合物半导体,具有带隙合适、高稳定性、导带电位较负和光生电子还原能力强等特点,适合用作光催化分解水产氢的催化剂。根据一般催化理论,催化剂有效比表面积越高,活性位点会越多,催化效率就越高。目前制备高比表面积3C-Si C的方法存在成本高、产率低、工艺复杂等问题,限制了其应用。3C-Si C光生电子-空穴复合率较高,也是它在光催化产氢方面的应用障碍之一。因此,采用廉价易得原料,工艺简单方法制备高比表面积3C-Si C,并扩大其光响应范围,促进光生载流子分离,从而提升光解水产氢效率,具有重要意义。本文重点进行了两方面工作:（1）3C-Si C、掺杂3C-Si C以及Si/3C-Si C复合半导体的模板法制备工艺研究;（2）产物光解水制氢应用的研究。主要取得成果如下:（1）以工业沉淀白炭黑和生物质活性炭分别作为模板,通过一步还原法获得了比表面积达84 m2/g和106 m2/g的高比表面积3C-Si C。并分别阐述了这两种模板制备3C-Si C的反应机理:以白炭黑这类无定型二氧化硅（Si O2）为模板时,温度超过软化点后Si O2转变为高粘度液相,与包裹其外的葡萄糖裂解碳（固相）在原位发生还原反应生成3C-Si C,这使得产物能基本继承白炭黑形貌和微观结构,具有高比表面积;而以生物质活性炭为模板时,Si O气体在孔道和外表与固相碳原位发生还原反应形成3C-Si C,使得产物能够部分继承炭质模板结构,具高比表面积。对所制备3C-Si C进行光解水产氢的研究表明,比表面积是影响产物催化性能的最主要因素,比表面积大,产氢速率高。本文提出的制备3C-Si C的模板法具有原料廉价易得、工艺简单易行的优势。（2）在上述基础上通过在模板中负载可溶性掺杂源制备出了B、P、La、Sm掺杂3C-Si C。其光学性能测试结果表明,掺杂3C-Si C光子吸收能力得到提高,光响应范围得到扩展。采用活性炭制备的B、P、La掺杂3C-Si C其产氢性能相比于纯的3C-Si C得到了提升,由7.18μL/（g·h）的产氢速率分别提高到了32μL/（g·h）,13.8μL/（g·h）,15.3μL/（g·h）。（3）为进一步提高3C-Si C的量子效率,针对反应体系的物相组成设计了Si/3C-Si C复合半导体,并以活性炭为模板制备出了具有异质结结构的Si/3C-Si C以及B、La、P掺杂的Si/3C-Si C复合半导体。对Si/3C-Si C复合半导体光解水产氢的研究表明,其光解水产氢速率达到了340μL/（g·h）,相比于纯的3C-Si C提高了近50倍,且产氢性能稳定,20小时无明显衰减;对B掺杂Si/3C-Si C复合半导体光解水产氢的研究表明,其产氢速率得到了极大提升,达到了2694μL/（g·h）。相比于Si/3C-Si C复合半导体又提高了近8倍,且产氢稳定性能良好,20小时无衰减。Si/3C-Si C复合半导体光催化剂促进光解水产氢可能机理是:Si与3C-Si C形成了异质结,二者功函数的差异使得光生电子在Si表面富集,实现了光生载流子的有效分离,产氢效率得到提升;B掺杂Si/3C-Si C复合半导体的产氢性能促进机理应该是掺杂和前述载流子分离的协同作用。所述B掺杂Si/3C-Si C复合光催化剂的制备工艺简单,未使用贵金属、石墨烯等高成本的助催化剂,光解水制氢过程也没有添加任何牺牲剂,值得进一步研究开发。