【摘 要】
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开发可见光催化分解水制氢的高性能催化剂对于解决日益突出的能源枯竭和环境恶化问题具有重要意义。近年来,利用贵金属表面等离子体共振效应改性氧化物半导体制备高效可见光响应光催化剂已成为研究热点。本研究以ZIF-8为前驱体,通过质子刻蚀、离子交换以及热解制备Au、ZnO纳米粒子中空碳基复合物,并应用于可见光下水产氢。以ZIF-8为前驱体,首先采用鞣酸质子刻蚀,然后用氯金酸钠进行离子交换(etching-e
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开发可见光催化分解水制氢的高性能催化剂对于解决日益突出的能源枯竭和环境恶化问题具有重要意义。近年来,利用贵金属表面等离子体共振效应改性氧化物半导体制备高效可见光响应光催化剂已成为研究热点。本研究以ZIF-8为前驱体,通过质子刻蚀、离子交换以及热解制备Au、ZnO纳米粒子中空碳基复合物,并应用于可见光下水产氢。以ZIF-8为前驱体,首先采用鞣酸质子刻蚀,然后用氯金酸钠进行离子交换(etching-exchange,EE),以Au3+取代ZIF-8中的Zn2+形成具有中空结构的EE-Au@ZIF-8,再经氮气氛围下热解形成Au、ZnO纳米粒子中空碳基复合物。结果表明,在优化条件下制备的EE-Au0.6-ZnO/CN为约200 nm载纳米粒子ZnO、Au的碳基中空立方体,壁厚约为30 nm,Au/Zn原子比为0.329。与直接热解ZIF-8制备的ZnO/CN相比,Au组分的引入可以有效增强可见光吸收和电子-空穴分离效率,因而产氢性能提高。其中,EE-Au0.6-ZnO/CN产氢速率最高,是ZnO/CN的8倍,且具有良好的循环稳定性。以ZIF-8为前驱体,采用氯金酸同时实现酸刻蚀-离子交换(etching-exchange,E),即质子刻蚀与Au3+与Zn2+离子交换同时进行,在优化条件下制备的E-Au0.40-ZnO/CN具有与EE-Au0.6-ZnO/CN同样的结构,而ZnO、Au纳米粒子尺寸显著减小,约为5 nm,Au/Zn原子比为0.425。E-Au0.40-ZnO/CN在可见光区吸收较强,电子-空穴分离效率最优,因此产氢速率最高,分别是密实立方结构ZnO/CN、中空立方结构Au/CN的12倍和2.6倍,在优化反应条件下其产氢速率可达0.70 mmol(g·h)-1,且具有良好的循环稳定性。结果表明氮掺杂碳的中空立方结构、均匀分散的Au和ZnO纳米粒子,使得可见光吸收更强,电荷分离效率和电子转移得到改善,进而提高了产氢性能。而且结果表明E-Au0.40-ZnO/CN的光催化活性优于EE-Au0.6-ZnO/CN,归因于E-Au0.40-ZnO/CN具有适宜Au与ZnO比例,且ZnO、Au纳米粒子毗邻分布、粒径细小,更有利于Au等离子体共振效应诱导的可见光响应增强。
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