天然摻鐵硅酸鹽可見光催化分解水制氫研究.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境惡化已經(jīng)成為當(dāng)今人類社會(huì)面臨的兩個(gè)重大問題。利用可再生資源制備出對環(huán)境無污染并且可持續(xù)利用的新型能源是解決這兩個(gè)問題的根本途徑之一。在眾多的新能源中，氫能具有來源廣泛、利用形式多樣、對環(huán)境無污染、較高的化學(xué)能以及可以循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。因此氫能也被廣大學(xué)者公認(rèn)為21世紀(jì)最有潛力的新能源。光催化技術(shù)通過利用光催化劑吸收太陽能激發(fā)光生電子-空穴進(jìn)而誘發(fā)水的氧化還原反應(yīng)來制備氫氣。與眾多的人工合成的光催化劑相比，使用天然產(chǎn)物作為光催

2、化分解水制備氫氣的研究很少。我們研究了具有天然納米結(jié)構(gòu)并且天然摻鐵的粘土礦物凹凸棒土(ATP)以及蛭石(VMT)作為光催化劑，可見光下高效分解水制取氫氣。同時(shí)作為對比，還研究了Ag/ZnO納米復(fù)合物的制備以及有機(jī)染料敏化下的光催化產(chǎn)氫性能。
　　具體研究內(nèi)容及重要結(jié)論摘示如下:
　　1)將天然的硅酸鹽礦物ATP直接作為催化劑，以曙紅(EY)等有機(jī)染料為光敏劑，可見光照射下還原水制取氫氣。通過X射線衍射、透射電鏡、紫外可見吸收

3、、X射線光電子能譜等測試儀器對樣品進(jìn)行表征。對不同ATP樣品以及蒙脫土（一種具有類似晶胞結(jié)構(gòu)但是不存在鐵摻雜的硅酸鹽礦物）的對比考察證實(shí)了ATP的催化主體作用。四種有機(jī)染料均具有一定的敏化ATP產(chǎn)氫的能力，但是EY對ATP敏化能力最好，少量Ag納米晶負(fù)載后量子效率達(dá)到了10.8％。進(jìn)一步的化學(xué)分析和理論計(jì)算表明Fe摻雜（兩個(gè)ATP晶胞中摻雜一個(gè)Fe原子）可以提高光催化性能。在本章的研究中，我們提出了一種極為簡便的產(chǎn)氫方法，幾乎不需要任何

4、人工合成的步驟，也不用考察催化劑合成、表征、摻雜以及形貌控制等常規(guī)研究內(nèi)容。結(jié)合實(shí)測禁帶寬度及價(jià)帶光電子能譜數(shù)據(jù)提出ATP在有機(jī)染料EY敏化下可見光降解水產(chǎn)氫的機(jī)理。
　　2)采用簡單的溶液浸漬法制備出不同CdS納米晶負(fù)載量的ATP樣品，進(jìn)行CdS納米晶敏化ATP可見光分解水制氫測試。3wt％ CdS負(fù)載量的ATP樣品可以超出單獨(dú)CdS催化活性的200％，同時(shí)還將ATP樣品用刮涂的方法制備成電極，進(jìn)行光電化學(xué)分解水的測試，在可見光

5、照射下得到的最高光電流為0.35 mA cm-2?；贏TP與CdS的能帶位置，提出了CdS/ATP納米復(fù)合物可見光下高效產(chǎn)氫的機(jī)理。
　　3)在ATP的基礎(chǔ)上將一維天然礦物的研究拓展至二維的蛭石(VMT)，將VMT作為催化劑，有機(jī)染料敏化下可見光直接降解水制取氫氣，采用簡單的水熱法制備出Pt納米粒子負(fù)載的VMT樣品，作為對比進(jìn)行了產(chǎn)氫性能測試，發(fā)現(xiàn)單純的VMT的產(chǎn)氫能力可以達(dá)到220μmol h-1，負(fù)載3％的Pt納米晶后催化能

6、力提升至330μmol h-1，量子產(chǎn)率達(dá)到了22.8％。將純的VMT制備成電極，通過對電極正面及背面的光輻射進(jìn)行光電化學(xué)分解水的測試，得到的光電流大小分別為0.2 mA cm-2和0.4 mA cm-2。通過理論計(jì)算對VMT的合理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提出最接近實(shí)際的天然摻鐵的蛭石晶胞結(jié)構(gòu)。
　　4)同樣以蛭石為原料，采用化學(xué)浸漬法將CdS量子點(diǎn)負(fù)載到具有納米片狀結(jié)構(gòu)的VMT表面，考察了CdS的不同負(fù)載量對光解水產(chǎn)氫速率和光電化學(xué)分解

7、水能力的影響。由于CdS量子點(diǎn)的敏化作用，可見光的響應(yīng)范圍增大，電荷有效傳遞得到提升。發(fā)現(xiàn)5wt％ CdS的樣品具有最高的產(chǎn)氫速率（92μmol h-1）和量子效率(17.7％)。
　　5)采用晶種法制備出具有特殊形貌及特殊活性晶面暴露的ZnO納米晶體，對含有銀晶種和不含有銀晶種的體系分別進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)沒有Ag晶種時(shí)，在長鏈脂肪胺（十八胺）的作用下生成納米顆粒，而在Ag晶種作用下就會(huì)誘導(dǎo)ZnO特定晶面的生長，既而表現(xiàn)出特殊的納