鈦酸鑭基光催化劑的制備及光解水產(chǎn)氫性能的研究.pdf

1、目前，能源危機(jī)（供應(yīng)受限、需求增多）和環(huán)境氣候問題使人類利用可再生清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料的愿想愈加強(qiáng)烈。氫能作為清潔能源，具有能量密度高、資源豐富、來源多樣、無污染、零排放的優(yōu)點。因此，氫有希望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料成為一種新型的能源載體，構(gòu)筑與電力同為能源基礎(chǔ)的氫能經(jīng)濟(jì)。氫能經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵是如何獲得廉價的氫氣。如今，最具吸引力的產(chǎn)氫途徑是太陽能分解水產(chǎn)氫。利用非碳、潔凈、豐富和普遍的太陽能作為能源載體實現(xiàn)太陽能-氫能（STH）的轉(zhuǎn)換既能減少

2、能源消耗，還能避免溫室氣體的排放，真正高效、廉價地實現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)----可再生循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的能源經(jīng)濟(jì)構(gòu)想。但目前STH轉(zhuǎn)換效率仍較低，這主要是由光催化材料對太陽光利用率較低、能級不匹配、光生載流子易復(fù)合以及光不穩(wěn)定性造成的。因此，在提升 STH轉(zhuǎn)換效率的研究中，一方面需要開發(fā)高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和可見光驅(qū)動的光催化材料；另一方面需要探索簡單、經(jīng)濟(jì)和實用的制氫工藝，最終實現(xiàn)高效和廉價兼?zhèn)?、可實際擴(kuò)大化應(yīng)用的光解水制氫。本論文以光解水材料中具

3、有獨特電子構(gòu)型、特殊層狀結(jié)構(gòu)和較高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的鈣鈦礦 La2Ti2O7作為研究對象，以構(gòu)筑高效的光催化劑并提高STH轉(zhuǎn)換效率為研究目標(biāo)，并針對目前La2Ti2O7存在的帶隙較大、光生載流子復(fù)合率高等缺點，分別從摻雜以及與金屬、半導(dǎo)體和功能碳材料（石墨烯）復(fù)合入手，構(gòu)筑可見光驅(qū)動、高效、穩(wěn)定和廉價的光催化材料，解決STH轉(zhuǎn)換效率較低的難題。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴分別與窄帶隙半導(dǎo)體CdS和In2O3復(fù)合，構(gòu)筑具備量子尺寸效應(yīng)的C

4、dS QDs/2D-La2Ti2O7異質(zhì)結(jié)和具有良好光誘導(dǎo)界面電荷轉(zhuǎn)移的In2O3/2D-La2Ti2O7異質(zhì)結(jié)。這種有效的復(fù)合實現(xiàn)了單組分電子構(gòu)型的調(diào)控，增大了各組分接觸界面間的電子傳輸驅(qū)動力，提高了光生電子和空穴的分離能力。應(yīng)用瞬態(tài)光電流、電化學(xué)阻抗譜和Mott-Schottky測試研究了CdSQDs/2D-La2Ti2O7和In2O3/2D-La2Ti2O7異質(zhì)結(jié)體內(nèi)的內(nèi)建電場和各組分界面接觸情況。并在此基礎(chǔ)上，深入探討了In2O

5、3/2D-La2Ti2O7和CdS QDs/2D-La2Ti2O7異質(zhì)結(jié)光誘導(dǎo)界面電荷分離和轉(zhuǎn)移機(jī)理以及光解水氧化和還原行為。In2O3/2D-La2Ti2O7和CdS QDs/2D-La2Ti2O7異質(zhì)結(jié)均呈現(xiàn)出比單組分高的光解水產(chǎn)氫速率和穩(wěn)定的光電化學(xué)性能。其中，In2O3/2D-La2Ti2O7(1.5:1)異質(zhì)結(jié)的光解水產(chǎn)氫速率為68.14μmol h-1 g-1（表觀量子產(chǎn)率為0.46％），CdS QDs/2D-La2Ti2O

6、7(2:1)異質(zhì)結(jié)的光解水產(chǎn)氫速率達(dá)到51.31μmol h-1 g-1（表觀量子效率為0.35%）。⑵利用還原石墨烯（GR）較大的比表面積和較快的電子傳輸能力，采用水熱協(xié)助靜電自組裝法制備了具有緊密界面接觸和較大接觸面積的La2Ti2O7/GR納米復(fù)合材料。與純相 La2Ti2O7和無表面電荷修飾的La2Ti2O7/GR5%-H相比，La2Ti2O7/GR5%納米復(fù)合材料呈現(xiàn)出較高的光解水產(chǎn)氫速率和光電化學(xué)性能，其光解水產(chǎn)氫速率分別是

7、純相La2Ti2O7和La2Ti2O7/GR5%-H的5.7和4.9倍。表面正電荷修飾的La2Ti2O7與自帶負(fù)電荷的氧化石墨烯（GO）靜電吸附自組裝成緊密界面接觸和較大接觸面積的納米復(fù)合材料，充分發(fā)揮了 GR優(yōu)異的光生電子傳輸能力，抑制了La2Ti2O7光生電子和空穴的復(fù)合，延長了光生載流子的壽命。⑶在能帶調(diào)控理論的指導(dǎo)下，采用溶膠-凝膠法，以過渡金屬元素 Fe和 Cr為摻雜劑對 La2Ti2O7的帶隙進(jìn)行調(diào)控，分別研究了摻雜濃度和煅