论文部分内容阅读
当今世界,随着化石燃料(煤炭,天然气和石油)的不断消耗,导致全球环境恶化和能源危机问题不断加剧。为了应对能源危机和环境污染的挑战,人们越来越关注开发可再生能源技术,对基于长期可持续供应的可再生能源的开发提出了更高的要求。将太阳能转化为氢气、甲醇、甲烷等化学能,被认为是解决能源和环境问题的最有前景的战略之一。半导体光催化分解水产氢技术被认为是解决未来全球环境和能源问题的绿色方法,有望在解决上述问题中发挥重要作用。然而,由于半导体本身的光生电子-空穴对容易快速复合,从而限制了其在光催化应用。本文以常见的TiO2和g-C3N4两种半导体光催化剂为基体,从提高半导体的导电性和促进光生电子-空穴分离的角度出发,通过负载助催化剂对TiO2和g-C3N4进行设计和改性,结果表明,助催化剂的引入可以提高半导体的光生电子传输速率,抑制光生电子-空穴对的复合,从而有效改善光催化性能。本文主要研究内容与结果如下:(1)通过一种简便的水热/煅烧方法制备了具有锐钛矿/金红石异相结的TiO2纳米带,在光催化析氢反应和析氧反应中,以Pt和CoP分别作为还原和氧化助催化剂研究其光催化产氢和产氧性能,并实现了优异的全解水性能。在所制备的锐钛矿/金红石异相结的TiO2纳米带中,煅烧温度为900℃时的光解水性能最好。在Pt作为助催化剂时,TiO2纳米带-900℃的光解水产氢速率达5840 μmol g-1 h-1;在CoP作为助催化剂时,TiO2纳米带-900℃的光解水产氧速率达4100μmol g-1 h-1。锐钛矿/金红石的异相结构构建可以有效地促进电子从金红石转移到锐钛矿,然后转移到Pt,最后在Pt表面生成H2。同时,空穴可以从锐钛矿转移到金红石,然后转移到CoP,最后在CoP表面生成O2。(2)通过自组装的方法将Ti3C2 MXene量子点与g-C3N4纳米片组装构建g-C3N4@Ti3C2量子点复合材料。所制备的g-C3N4@Ti3C2量子点复合材料在Ti3C2量子点的负载量为5.5 wt%时,光解水产氢效率最高,达到5111.8μmol g-1h-1,分别是纯g-C3N4(196.8μmol g-1h-1)、Pt/g-C3N4(1896.4 μmol g-1 h-1)和 Ti3C2 MXene 纳米片/g-C3N4(524.3 μmol g-1 h-1)的 26、3 和10倍。一方面,Ti3C2量子点增加了 g-C3N4的比表面积并提高了活性位点的密度;另一方面,金属Ti3C2量子点具有出色的电子导电性,从而提高了载流子的传输效率,实现了高效的光解水产氢效率。(3)以高导电性的Ti3C2 MXene为基体原位生长TiO2纳米片,然后通过两步水热法将富含钼空位的MoS2均匀分布在TiO2@Ti3C2复合材料上制备了具有钼空位和双重助催化剂(Ti3C2和MoxS)的MoxS@TiO2@Ti3C2复合材料的独特结构。在最佳水热处理温度(160℃)下,MoxS@TiO2@Ti3C2复合材料的光催化制氢生成率比纯 TiO2纳米片和MoS2@TiO2@Ti3C2复合材料(160℃)高出接近193倍和6倍。一方面,通过向MoxS@TiO2@Ti3C2复合材料中的MoS2中引入钼空位,可以诱导产生大量具有提高氢气产生的活性位点,并且钼空位的存在可以抑制光生载流子的复合;另一方面,Ti3C2 MXene和MoS2的存在作为增强电子电导率的双重助催化剂,使电子转移效率提高,实现了高效的光解水产氢效率。(4)以高导电性的Ti3C2 MXene为基体原位生长TiO2纳米片,通过简单的两步水热法制备了具有独特的双金属助催化剂Ti3C2和1T相WS2纳米粒子的1T-WS2@TiO2@Ti3C2复合材料。所制备的双金属助催化剂Ti3C2和1T相WS2的1T-WS2@TiO2@Ti3C2复合材料在1T相WS2的负载量为15 wt%时,光解水的产氢效率最高,达到3409.8 μmol g-1 h-1,大约是纯TiO2纳米片的50倍。一方面,1T相WS2的加入增加了复合材料的比表面积,增加了提高氢气产生的活性位点的密度;另一方面,具有金属特性的Ti3C2和1T相WS2的存在,实现了高效的光生电子传输速率,有效抑制了光生电子-空穴对的复合,大大提高了光解水的产氢性能。