SiC/SiO2纳米复合材料的制备及在光催化领域的应用基础研究

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随着全球经济的高速增长,人类对能源的需求越来越大,氢能由于其放热效率高、清洁和可再生等特点被视为21世纪最理想的清洁能源,因此,关于碳化硅(SiC)光解水制氢性能的研究受到了不少科研工作者的关注,但是,由于纯SiC在光解水制氢的过程中光生电子与空穴易复合,量子效率低,因此,需要对碳化硅进行改性、修饰或复合来提高其光解水制氢性能。本文通过将碳化硅与二氧化硅(SiO2)进行复合,制备出具有核壳结构的SiC/SiO2纳米复合材料来提高碳化硅的光解水制氢性能,并探讨了反应过程的机理与SiC/SiO2纳米复合材料中的电荷输运过程。本文制备了不同碳硅比和不同粒径的SiC/SiO2纳米复合材料,利用XRD、SEM、TEM、光学显微镜等表征方法分析了SiC/SiO2纳米复合材料的成分、结构、形貌,探究了其反应机理,利用气相色谱仪对其光解水制氢性能进行了表征,利用瞬态荧光光谱仪对其荧光寿命进行了表征,主要结论如下:研究了SiC/SiO2纳米复合材料的反应机理,研究发现,反应过程中,由于非晶态二氧化硅在高温下的软化,因此PVP碳化后形成的无定形碳能与二氧化硅充分接触并在原位发生液-固反应,生成了碳化硅包裹二氧化硅的核壳结构材料。研究了不同碳硅比、不同硅源以及除硅对材料光解水制氢性能的影响,研究发现,以50-100nm、200nm、500nm三种二氧化硅为硅源制备的样品中,随着碳硅比的增大,光解水制氢性能呈现先增大后减小的趋势,即碳硅比为4:1时,材料的光解水制氢性能最佳,以2μm二氧化硅为硅源制备的样品中,碳硅比3:1时材料光解水制氢性能最佳;碳硅比为4:1和5:1时,随着硅源粒径的增加,样品的光解水制氢性能逐渐降低,碳硅比为3:1时,以2μm二氧化硅制备的样品光解水制氢性能最佳,可能的原因是此时碳化硅层最薄,光能照射到所有碳化硅颗粒,产生的光生电子距离内核二氧化硅近,驱动其向外迁移的驱动力强,因此其光解水制氢性能最佳。选取50-100nm(4:1)、200nm(4:1)、500nm(4:1)、2μm(3:1)这四组在各自组别中光解水制氢性能最佳的样品进行除硅前后光催化性能对比试验,发现二氧化硅的存在能提高材料的光解水制氢性能。研究了SiC/SiO2纳米复合材料中的电荷输运过程,研究表明,内核二氧化硅能促进光生电子向着远离二氧化硅的方向扩散。
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