关键词：
煤基碳量子点
钴基复合材料
异质结
光催化
析氢
摘要：
为解决能源危机和环境问题,发展清洁的可再生能源已成为研究热点。太阳能是最丰富的可再生能源之一。光催化制氢可以利用太阳能,在催化剂的参与下通过可见光的照射实现分解水制氢。氢气具有高能量密度,燃烧零排放,已成为公认的清洁能源。但是目前大多的半导体光催化剂出现光吸收能力弱、光生载流子的分离效率低、表面活性位点的数量不足等问题,不能够实现高效析氢。本研究通过对半导体光催化剂进行形貌调控,构建异质结,引入助催化剂来提高半导体光催化性能,实现高效光催化分解水制氢。主要工作内容如下:
(1)利用超声辅助过氧化氢将廉价的煤炭转化为高价值的煤基碳量子点(CQDs)。将其用于协助CoMoO4(CM)与g-C3N4(CN)光催化分解水析氢。结果表明,新型复合光催化剂CMCN-11/8%SCQDs具有较高的析氢活性,在pH为9时,最高析氢速率达到4916.63 μmol·g-1·h-1。在波长420 nm下,表观量子产率(AQE)为1.78%。CM的导带和价带位置分别为-1.03 eV和1.65 eV,CN的导带和价带位置分别为-0.83 eV和1.72 eV,由此推测CM与CN之间形成了 S型异质结。深入探讨了含硫煤基碳量子点(SCQDs)在改善光催化析氢中的作用,证明了 SCQDs与CM和CN的协同作用可以提高析氢活性。SCQDs具有良好的电子传输能力,是电子传输的桥梁,既能当作存储电子的受体,也能当做提供电子的供体,可有效地阻碍电子-空穴对的快速复合,提高电子-空穴对的分离效率。本研究为SCQDs用于光催化分解水析氢提供了关键信息,为合理设计高效廉价的光催化剂开辟了新途径。
(2)采用高硫煤为碳源,尿素为氮源,用水热法一步成功制备氮硫共掺杂煤基碳量子点(NSCQDs)。通过在片状钴基金属-有机框架(Co-MOF)表面和g-C3N4(CN)表面原位生长氮硫共掺杂煤基碳量子点(NSCQDs)纳米颗粒,成功合成了一种用于光催化分解水析氢的新型复合光催化剂。对所得催化剂进行了系统的结构及性质分析,NSCQDs有效地拓宽了 Co-MOF和CN在可见光区域。新型复合光催化剂具有较高的产氢活性,pH=9时,产氢速率达到6254 μmol·g-1·h-1。同时,NSCQDs协同Co-MOF/CN复合材料具有良好的稳定性。在经过4次循环产氢后,其产氢性能仍能维持在相对稳定的水平。瞬态光电流响应和奈奎斯特图实验结果进一步证明了复合催化剂中载流子分离效率的提高。通过莫特-肖特基测试确定了单相催化剂的半导体类型(n型半导体),并分析了其能带结构。CN的导价带位置分别为-0.99 eV和1.72 eV,Co-MOF的导价带位置分别为-1.85 eV和1.33 eV。由此推测出该体系的光催化反应机理,即CN与Co-MOF之间形成了 Z型异质结,NSCQDs作为助催化剂。有效增强了复合催化剂的光催化析氢活性。
(3)采用氮硫共掺杂煤基碳量子点(NSCQDs)用于协助金属磷化物(Co-P和Fe-P)光催化分解水析氢。对合成的催化剂进行了系统的结构及性质分析,研究了其光催化析氢活性与稳定性,对光催化机理进行了分析。结果表明,新型复合光催化剂具有较高的析氢活性,在pH为10时,最高析氢速率达到28.41 mmol·g-1·h-1。在波长520 nm下,AQE为4.93%,光-氢(STH)转化效率达到0.46%。瞬态光电流响应和奈奎斯特图实验结果进一步证明了复合催化剂中载流子分离效率的提高。通过莫特-肖特基测试确定了单相催化剂的半导体类型(n型半导体),并分析了其能带结构。Co-P的导带和价带位置分别为-0.44 eV和1.31 eV,Fe-P的导带和价带位置分别为-0.51 eV和1.17 eV。由此推测出该体系的光催化反应机理,即Co-P与Fe-P之间形成了 S型异质结,NSCQDs作为助催化剂,实现高效光催化析氢。
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