金属有机骨架/半导体复合材料的制备及光催化产氢性能研究

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当前,能源短缺和环境污染问题是全世界范围内关注的热点。可再生能源,尤其是太阳能的开发和利用被视为是解决这些问题的有效途径之一。太阳能是一种丰富且取之不尽的自然资源,是传统化石燃料的理想替代品,有助于满足全球能源需求、缓解全球能源危机和环境问题。然而,太阳能具有的不连续性和不稳定性使其不能直接用作工业和家庭的能源供应。H2是一种可再生和环保的燃料,人们期望利用可再生能源并以经济环保的方式获得H2。因此,利用太阳能和半导体光催化水分解产生H2,是有效解决太阳能存储和实现绿色生产H2燃料的方法。目前,科学家们致力于寻找优异的半导体材料来提高对太阳光的吸收能力和光催化转换效率。然而由于大量的光催化剂存在电子-空穴复合速率较快等问题,导致光催化析氢技术仍然具有较低的转换效率。金属有机骨架材料(MOFs)作为一类多孔结晶材料,在能量存储和转化方面有巨大的应用潜力。UiO-66作为一种具有半导体行为的Zr基MOF,是用于光催化产氢的潜在应用材料。本文构建了两种具有可见光响应的MOF/半导体复合材料,以获得性能优异的光催化剂。主要研究内容如下:(1)UiO-66-(SH)2与g-C3N4复合材料的光催化产氢性能研究。本文制备了一系列不同比例的UiO-66-(SH)2/g-C3N4复合材料,研究了其在可见光条件下的光催化析氢活性。复合材料的光解水产氢测试结果表明,在可见光照射下,当g-C3N4纳米片的添加量为UiO-66-(SH)2的50 wt%时,样品具有1193.6μmol h-1 g-1的最优产氢速率,是g-C3N4纳米片的2.3倍,块状g-C3N4的5.2倍。结果表明,UiO-66-(SH)2/g-C3N4复合材料具有提高的光解水产氢活性和优异的光稳定性。通过瞬态光电流等测试探究了复合材料的光解水产氢机理,增强的光催化产氢速率与复合材料具有增大的比表面积、更快的电子转移能力和较低的电子-空穴复合速率有关。(2)ZnIn2S4与UiO-66复合材料的光催化产氢性能研究。本文通过将UiO-66纳米球引入到花状ZnIn2S4微球中合成了一系列复合材料(ZIS/U6),并探究其在可见光条件下的光催化析氢活性。通过光解水产氢测试发现,当UiO-66的负载量为20 mg时,复合材料ZIS/U6-20具有最佳的产氢速率,约为1860.9μmol g-1 h-1,是纯ZnIn2S4产氢速率的3倍。该复合材料光催化活性提升的原因主要是由于ZnIn2S4和UiO-66之间的快速电荷转移能力和有效的电子-空穴对分离效率。同时我们采用相同的方法将官能团修饰的UiO-66(UiO-66-NH2,UiO-66-(SH)2)引入到ZnIn2S4中制备相应的复合材料。紫外-可见漫反射光谱测试结果表明,UiO-66-NH2/ZnIn2S4,UiO-66-(SH)2/ZnIn2S4复合材料均具有增强的可见光吸收能力,然而它们的光催化产H2速率却低于ZIS/U6光催化剂。光催化机理研究结果表明,这两种复合材料具有与ZIS/U6不同的电子传递路径。
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