论文部分内容阅读
随着全球人口的不断增长和经济的快速发展,有限的化石能源的耗尽是可以预见的。另外,化石燃料燃烧后产生的各种污染物如COx,NOx,SOx,煤烟及烟尘等又引起了全球性的气候问题,温室效应,酸雨腐蚀,空气污染等问题严重威胁到了人类的生存和发展,成为了人类社会发展亟待解决的问题。因此,解决能源耗尽和环境污染的问题,寻找和开发新的绿色的能源来替代我们赖以生存的化石能源对人类来说是义不容辞的责任,也是人类面临的巨大挑战。而氢能源作为一种清洁的,环境友好和原材料广泛（利用水和太阳光作为原材料）的能源无疑成为了人们的首选。人们普遍认为氢能源作为一种最终清洁能源载体,将会在未来人们的生产和生活中扮演重要的角色。所以如何有效的把太阳能转化为电能,利用获得的电能分解水来产生氢气（即光解水制氢）就成为了现在的研究热点。1972年Fujishima和Honda利用TiO2光解水的工作为半导体材料在光催化方面的利用开辟了新的路径,利用太阳能光解水产氢也被认为是生产氢能最有效的方法。在光解水时,往往都要利用一些成本低,光催化活性高的光催化材料来做电极材料,而本论文就是以常见的无机半导体材料二氧化钛和有机半导体材料石墨相氮化碳两种半导体材料为主来研究它们在太阳能光解水方面的应用的。本论文主要从以下三个方面进行探究,具体内容为:1.P掺杂的TiO2/g-C3N4异质结对光解水产氢性能的研究首先,我们利用水热合成的方法在导电玻璃基底上生长了金红石型二氧化钛纳米线,经过对合成的TiO2纳米线阵列的水热生长条件和退火条件进一步优化了具有最佳光电性能的TiO2纳米线。为了提高二氧化钛的可见光催化活性,拓宽其光谱吸收范围,我们又采用具有稳定性好,光催化活性较高的有机半导体材料石墨相氮化碳（g-C3N4）对其进行了杂化改性。而这种具有共轭大π键的分子的电子注入作用可以使其产生可见光活性。由于表面杂化作用可以极大的促进空穴的迁移,从而有效的抑制光生电子与空穴的复合,提高光催化效率。在此基础上我们又利用非金属元素P进行了掺杂改性,发现P元素的掺杂可以有效的改变原材料的能带结构,使其带隙宽度更小,增大了吸光范围,故使其能够捕获可见光,从而使二氧化钛的可见光催化活性进一步提高。该项研究对于如何有效使紫外区响应的光催化材料获得可见光活性提供了新的思路。2.3D结构的Bi2MoO6纳米片与钨掺杂的TiO2纳米线异质结材料对光解水行为的研究利用前面已经成熟的合成二氧化钛纳米线的方法制备金红石型氧化钛,并且进一步通过水热合成的方法对其刻蚀、掺杂同步进行合成了钨掺杂的二氧化钛纳米线（W-doped TiO2）。通过一系列光电化学表征、测试发现,该种方法可以通过引入杂质能级从而有效降低光生电子-空穴的复合几率,使得TiO2的光催化活性得到改善。由于受到自然界植物叶片光合作用的启发,我们又进一步在一维掺杂的TiO2纳米线上通过电泳沉积的方法沉积了钼酸铋纳米片,从而构造了一种3D的异质结光催化材料。钼酸铋材料本身具有的高的可见光催化活性和复合材料的独特的形貌结构,不仅能够拓宽TiO2的光吸收范围而且可以加速光生电子的传递,因此取得了非常好的光催化效率。3.复合等离子体-金属/g-C3N4光催化剂光解水性能的研究本部分实验通过种子生长法控制合成了贵金属金纳米棒,然后通过一锅法制备了Au/g-C3N4复合光催化剂。通过SEM、XRD、FTIR等对材料进行了系统的表征,之后通过i-t curve和EIS对复合材料进行了电化学表征发现Au/g-C3N4表现出大的光电流和低的载流子复合率。这主要是由于Au纳米粒子表面的SPR效应和良好的电子捕获能力,所以使得可见光下石墨相氮化碳的光催化活性有了非常明显的提升。通过计算发现金纳米粒子的复合有效的降低了石墨相氮化碳的禁带宽度,拓宽了其吸光范围,因此,本实验对于研究助催化剂与催化活性的之间的关系有一定的借鉴意义。