氧化亚铜异质结构组装、界面光生电子转移及其光催化制氢性能研究
能源短缺与环境污染使得开发利用安全、可靠的清洁能源和可再生能源迫在眉睫。光催化分解水制氢可以将可再生的太阳能转化为清洁的(氢能)化学能，是人类寄望于解决这两个问题并实现经济社会可持续发展的有效途径。而高活性光催化剂对于提高转化效率至关重要。 作为经典的光催化材料之一，Cu2O因其具有一定的可见光催化活性、形貌多变、价格低廉、毒性低、制备方法多样等优点，在太阳能电池、气体传感器、锂离子电池和光催化等领域都有潜在的应用前景，已成为国内外研究者广泛关注的目标。但是纯的Cu2O空穴扩散长度短、易发生光腐蚀，限制了其在光催化中的应用。因此，对Cu2O进行改性进而获得性能优良的Cu2O基光催化剂具有重要的实际意义。而构筑Cu2O基异质结构在很大程度上能提高Cu2O半导体的光催化性能。本文主要采用原位生长法构筑了一系列Cu2O基异质结构光催化剂，并对所制备体系的光生电子转移及光催化制氢性能进行了详细研究。研究内容如下： 将光活性分子四羧基卟啉(TCPP)引入并定向结合到触角状的Cu2O/NiO异质结上，获得一种新型的Cu2O/NiO/TCPP纳米复合材料。进而详细研究了该纳米复合材料的组装机理。结果表明，通过配位相互作用和氢键，TCPP分子可以牢固地组装在NiO铆接的Cu2O上。由于Cu2O、NiO和TCPP之间的强相互作用以及增强的光吸收，相对于其它对比物(Cu2O/NiO/NiTCPP，Cu2O/NiO，Cu2O等)，该复合材料的光电转化效率明显提高，而且，该纳米复合材料显示出更高的光催化制氢活性。这归因于体系中电荷的高效分离、增加的光吸收、匹配的带边结构和特殊的异质界面。 通过氧化石墨烯(GO)诱导，在Cu2O上原位构筑了高结晶性、纳米花状Cu2O/CuF2异质结。利用XRD、SEM、TEM、固体紫外可见漫反射光谱、XPS等手段对获得的目标材料(Cu2O/GO/CuF2)的结构、形貌和组装机制进行了详细研究。研究结果表明，GO的引入一方面减少制氢量较低的杂相、增加CuF2的比例和结晶性、促进纳米花状Cu2O/CuF2异质结的形成。另一方面，异质结的形成提高了Cu2O的光吸收及光生电子-空穴转移从而使其催化活性得到有效增加。光催化制氢结果显示，在相同条件下，目标材料Cu2O/GO/CuF2比纯Cu2O的光催化制氢活性高292%，而比简单混合制备的复合物的光催化制氢活性高了163.7%，显示GO诱导下原位生长法制备Cu2O/GO/CuF2纳米复合材料的优越性。 通过用金属有机骨架对Cu2O/SiO2异质结构进行封装获得一系列结构新颖的Cu2O/SiO2/MIF(M=Cd，Zn，Cu，Mn，Ni，Co)纳米复合材料。用XRD、SEM、TEM、UV-vis光谱、XPS等手段对复合物的结构、形貌、结合方式等进行了详细研究。研究发现，SiO2的表面状态可以促进光生电荷的迁移，同时SiO2薄层可以有效减少Cu2O光腐蚀从而使复合物光催化性能保持稳定。同时，MIF的有序骨架结构降低了体系的界面电阻，促进光催化反应中光生电荷的传输并提高电子-空穴的分离效率同时扩大了复合物的光吸收范围。因此，Cu2O/SiO2/CuIF显示出更高的光催化制氢活性。 上述研究将为组装特殊形貌、性能优异的其他半导体异质结构复合光催化剂的制备和性能研究提供新思路，也为光催化分解水制氢过程中涉及的电子-空穴分离和转移以及光催化制氢机理等问题提供实验依据和理论指导。
光催化制氢;氧化亚铜;卟啉;金属有机骨架;异质结
上海应用技术大学
硕士
应用化学
李向清
2020
中文
TQ116.2
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）