聚合物氮化碳的制备、改性及其光催化产氢性能研究
矿石燃料的急剧消耗以及环境污染问题的加重，极大刺激了可再生清洁能源的开发和研究。通过太阳光驱动分解水制氢被认为是一种有前景的可再生清洁能源的制备工艺。其中半导体是光催化体系核心，目前关于此方面的研究皆是致力于开发一种价格低廉、稳定可靠、环境友好和高效的半导体催化体系。截止到目前，鲜有可以被商业化应用，TiO2在此方面位列前茅，成为在广泛研究中实现商业应用的领先者。美中不足的是，由于TiO2属于不可见光相应半导体材料，只能依靠紫外光(＜388nm)驱动光催化反应的进行，而紫外光仅占太阳光谱不到5％，也就是说，TiO2本身不能有效的利用太阳光。因此，开发可见光响应的高催化效率的光催化材料逐渐兴起，也成为此领域的新需求。 聚合氮化碳(Polymeric carbon nitride，PCN)，作为一种非金属半导体，属于可见光响应材料，本身无毒、耐酸碱腐蚀、较好的热稳定性再加上其制备成本低，源材料广等优点被称为最有前景的光催化剂之一，已经被应用在许多领域，包括光催化产氢、降解和尾气处理等等。PCN本身具备合适的能带结构，然而其电子空穴对快速的复合效率成为其光催化性能的掣肘。本文通过优化PCN的合成工艺对其本身进行改性，改善其光催化制氢性能。 (1)酸刻蚀诱导制备多孔聚合氮化碳提高光催化制氢性能 选取氨腈水溶液和浓硫酸作为氮化碳的前驱体，然后这种混合溶液直接进行煅烧处理获得改性的氮化碳，氮气吸脱附测试表明改性后的氮化碳(CN-0.25H)的表面积有了极大地提高，为60.42m2·g-1，相比原始CN提高约10倍。进一步测试其光学性质和电化学性质来探讨光的吸收、光生载流子的分离和转移对催化剂光催化性能的影响，在光沉积法负载Pt的基础上，通过光催化制氢系统探讨了CN和CN-xH光催化制氢性能，其中CN-0.25H的制氢性能最高，达到1255.4μmol·h-1·g-1，约为原始CN的5倍，通过420nm单色光滤光片测试，其表观量子效率为6.7％。通过对比光子吸收率(Jabs)、光电流响应、电化学阻抗谱和莫特肖-特基曲线等证明光生电荷的分离和转移是CN-0.25H光催化活性提高的关键因素。通过这种直接煅烧CY来制造高度多孔CN的新策略，来提高太阳光驱动光催化活性为CN合成工艺设计提供有效思路。 (2)痕量Pt负载的聚合氮化碳的制备及其光催化性能研究 将混合液相作为前驱体:往氨腈水溶液中加入一定量的浓硫酸溶液和六水合氯铂酸，超声使其混合均匀，将最终混合溶液直接煅烧热处理获得Pt负载的改性氮化碳，通过ICP-MS测试Pt的负载量，HAADF-STEM表征催化剂的形貌结构和元素分布，进一步测试了不同Pt负载量的催化剂的光学性质和电化学性质，证明催化剂的活性提高是光吸收增强和光生载流子分离和转移增强两者共同作用导致的。催化剂的光催化活性是通过其制氢性能进行评定，在控制测试条件相同的情况下测试不同Pt负载量的催化剂的制氢速率，其中CN-0.23％Pt最优，在420nm具有2.8％的表观量子效率，另外还研究了这种原位负载Pt与光沉积法、还原剂还原法和热解法负载Pt的制氢性能差异，CN-0.23％Pt的制氢性能最高为1127.4μmol·h-1·g-1且相对提高了10倍、5.7倍和5倍。
聚合氮化碳;制氢活性;多孔结构;光生载流子;光催化产氢
山东大学
硕士
材料物理与化学
夏玉国
2021
中文
TQ116.2
2021-08-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）