金属硫化物修饰的g-C3N4可见光裂解水制氢材料的高通量筛选研究

来源 :陕西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huangyulin2007
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近几年,人类消耗的化石能源越来越多,环境污染和能源危机成为了两大焦点性问题,因而研究者们越来越着重于摸索和寻求清洁可再生的新能源来代替传统的化石燃料。目前,普遍的认为氢能是新世纪最理想的绿色能源,但是通过传统的方法制备氢气需消耗大量能源,这极大的限制了氢能的推广应用。光催化制氢技术是利用环境中的太阳能把水裂解为氢气,这种新兴的绿色技术解决了传统方法制氢的问题。在光催化制氢技术中,研究开发高效的制氢催化剂是该技术的核心,然而,光催化剂的种类不可胜数,传统的方法一次只能探究一种或者几种催化剂,如何快速的从成千上万中催化剂中寻找高效的催化剂,仍然是该领域中具有极大挑战性的题目之一。高通量筛选技术的出现为材料科学领域的研究开辟了一个新途径,该技术是在对催化反应原理和催化剂设计有了深入了解的基础上,运用组合化学和快速筛选技术来确定特定催化反应中的最优催化剂,因而具有广阔的应用前景。类石墨相碳化氮(g-C3N4)是一种新型的可见光影响的有机半导体制氢材料,其制备的成本低,来源广泛受到了大量研究者们的青睐。然而,单一的g-C3N4光催化效果较差,通过多金属硫化物的复合作用下,可以明显的提高其光催化的制氢性能。本文是根据高通量筛选的原理,建立了含有上千种不同金属硫化物复合的类石墨相碳化氮的光催化剂“库”,并探究了它们在可见光下的制氢性能,最后筛选出了具有高活性的制氢催化剂。试验的内容和结果如下:(1)反应芯片的制备:采用玻璃直接印刷技术,在干净的载玻片上制备了1×1mm的具有特殊性质微型网格,并在芯片上设定了具体的反应区域,其包含有17×17个网格。(2)催化剂库的建立:本实验选择了 4中金属的硫化物来复合g-C3N4作为光催化剂。按照数学的排列组合的方法,根据4中金属(Ni、Bi、Zn、Cd),建立了 C43=4个催化剂库(分别命名为催化剂库A、B、C、D)。先通过喷枪把碳化氮均匀的喷洒入网格内,然后利用喷墨打印技术将配置好的四种金属打印液打印在芯片相应的位置上,最后通过气浴硫化法来合成催化材料。(3)检测方法的设计:检测方法是根据气泡成像的原理,因为光催化裂解水的过程中会产生氢气小气泡,而且随着反应的进行气泡体积会逐渐变大,通过数码相机可以把气泡的成长过程记录下来,通过计算气泡的面积大小来判断催化剂的活性。(4)光催化材料的试验和筛选:本实验建立了 4种催化剂库,用于光裂解水的研究。首先将反应装置给予波长为395-435nm的LED紫光灯照射反应,然后通过数码相机摄取不同时段的气泡变化,最后通过专业的图片处理软件对产生的气泡进行分析,筛选出4种具体较高催化活性的催化剂:(Ni0.54Bi00.44Zn0.17)Sx/g-C3N4、(Ni0.37Bio.10Cd0.53)Sx/g-C3N4、(Ni0.12ZnO.07CdO.81)Sx/g-C3N4、(ZnO.4OBi0.5OCdO.1o)Sx/g-C3N4。(5)对照和验证试验:为了探究筛选出来的催化剂的催化性能好,还进行了对照试验和验证试验,结果表明筛选出来的催化剂具备高效的光催化性能。
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