新型d0和d10構(gòu)型分解水制氫光催化劑的制備及性能研究.pdf

1、能源與環(huán)境是當(dāng)今世界面臨的兩大問(wèn)題，構(gòu)建清潔能源體系是解決此類問(wèn)題的關(guān)鍵。利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫，是一種清潔的、可持續(xù)發(fā)展的制氫技術(shù)，將是解決能源與環(huán)境問(wèn)題較為理想的途徑之一。具有d0和d10電子構(gòu)型的半導(dǎo)體光催化劑有利于電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，由此形成的能級(jí)結(jié)構(gòu)有助于光生電子遷移。本論文旨在制備新型d0和d10電子構(gòu)型的光催化劑，研究其光催化分解水制氫性能，以期發(fā)現(xiàn)高效的光解水制氫催化劑。
　　通過(guò)固相法制備了具有d0電子構(gòu)型

2、的新型光催化材料La2AlTaO7，在紫外光照射下，無(wú)負(fù)載的光催化劑La2AlTaO7實(shí)現(xiàn)了純水分解，通過(guò)負(fù)載NiO可進(jìn)一步提高其光催化活性，當(dāng)NiO的負(fù)載量為0.2mass％時(shí)，活性達(dá)到最高。利用第一原理研究了其電子結(jié)構(gòu)，得出其價(jià)帶頂由O2p軌道構(gòu)成，而導(dǎo)帶底由Al3s3p構(gòu)成，依據(jù)第一原理，結(jié)合紫外-可見(jiàn)漫反射光譜討論了Al原子對(duì)La2AlTaO7電子結(jié)構(gòu)的影響。
　　利用固相法制備了具有d0電子構(gòu)型的ABi2Ta2O9(A=

3、Ca, Sr, Ba)系列層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)新型光催化劑，采用X線衍射表征了其晶體結(jié)構(gòu)，表明ABi2Ta2O9(A=Ca, Sr)的晶體結(jié)構(gòu)為正交晶系，而B(niǎo)aBi2Ta2O9則為四方晶系。通過(guò)第一性原理計(jì)算得到了此類新型光催化材料的電子結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。光催化活性測(cè)試表明，此類光催化材料具有較高的催化活性，SrBi2Ta2O9分解水的產(chǎn)氫活性達(dá)到了2.26mmol·h-1，遠(yuǎn)高于CaBi2Ta2O9和BaBi2Ta2O9的活性，探討了晶體結(jié)構(gòu)和

4、電子結(jié)構(gòu)對(duì)光催化活性的影響。質(zhì)子化固相反應(yīng)法制備的SrBi2Ta2O9，得到了具有較高催化活性的層狀鉭酸鹽光催化劑H1.81Sr0.81Bi0.19Ta2O7，催化制氫性能測(cè)試表明其能夠完全分解純水，活性比NaTaO3高出兩倍。射
　　通過(guò)一種簡(jiǎn)單且沒(méi)有使用表面活性劑的合成方法，制備了具有d10電子構(gòu)型的新型納米多孔ZnS-In S-Ag S固溶體光催化劑，研究發(fā)現(xiàn)該多孔材料是由許多細(xì)小的納米粒子堆積而成的納米球，孔徑分布在2~3

5、0nm。以SO23232-和S2-為犧牲劑，測(cè)試了此固溶體光催化材料在可見(jiàn)光下(λ>400nm)的催化活性，在沒(méi)有負(fù)載貴金屬(如t)的條件下，該固溶體表現(xiàn)出了很高的分解水制氫活性，在420nm波長(zhǎng)處的表觀量子產(chǎn)率達(dá)到了19.8%，其活性遠(yuǎn)高于之前報(bào)道的絕大多數(shù)負(fù)載貴金屬光催化劑。P
　　在沒(méi)有使用任何模板劑和表面活性劑的條件下，利用簡(jiǎn)單的溶劑熱方法制備了具有分級(jí)核-殼結(jié)構(gòu)的納米多孔ZnS-In2S3-CuS固溶體光催化劑并探討了其

6、生長(zhǎng)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，在球殼部位有許多納米棒逐漸生成，該納米棒是納米粒子通過(guò)肩并肩的“取向連接”生長(zhǎng)機(jī)制長(zhǎng)成，發(fā)現(xiàn)這是一種新的一維納米棒的生長(zhǎng)方式，這種現(xiàn)象可能在一維納米材料的生長(zhǎng)中廣泛存在，此研究將進(jìn)一步加深對(duì)“取向連接”生長(zhǎng)機(jī)制的理解。測(cè)試了此固溶體光催化材料在可見(jiàn)光下(λ>400nm)的光催化分解水制氫性能，表明在180°C下反應(yīng)18h制備的催化劑具有最高的光催化活性，沒(méi)有負(fù)載貴金屬(如Pt)的條件下，該固溶體在4