【摘 要】
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氢能作为一种清洁能源,具有其他能源所不具备的多种优点:能量密度高、储量丰富、绿色无污染等,是理想中的一种可替代化石燃料的新型能源。而光催化制氢技术是将太阳能转化为氢能的一种理想途径。光催化制氢技术的重点在于高效光催化剂的开发,有机光催化剂目前在光催化领域引起了许多研究人员的注意,具有丰富的种类、可自由调节的分子结构、优异的可见光响应和制备简单等优点。但是,有机光催化剂的光生载流子分离效率低且易复合
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氢能作为一种清洁能源,具有其他能源所不具备的多种优点:能量密度高、储量丰富、绿色无污染等,是理想中的一种可替代化石燃料的新型能源。而光催化制氢技术是将太阳能转化为氢能的一种理想途径。光催化制氢技术的重点在于高效光催化剂的开发,有机光催化剂目前在光催化领域引起了许多研究人员的注意,具有丰富的种类、可自由调节的分子结构、优异的可见光响应和制备简单等优点。但是,有机光催化剂的光生载流子分离效率低且易复合、活性电子传输差等缺点限制了其催化活性。针对以上问题,本文将导电2D金属-有机框架(Metal Organic Framework,MOF)与有机聚合光催化剂复合,利用MOF材料的优异电荷传输性能,通过分离有机光催化剂中的电子和空穴,提高活性电子的转移速率,大大提高了光催化制氢的活性。主要研究内容有以下两个方面:将经典的有机聚合光催化剂g-C3N4与导电MOF Ni-CAT-1复合,由于Ni-CAT-1具有良好的导电性,光催化剂中光生电子和空穴被有效分离,复合效率降低,活性电子的传输速率增加,从而大大提高了光催化制氢的活性。利用高温煅烧制备了层状结构的g-C3N4,通过将不同质量的g-C3N4引入到Ni-CAT-1的合成体系中,原位合成了系列不同比例的Ni-CAT-1/g-C3N4复合材料。利用X射线粉末衍射(PXRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(EDS)证实了Ni-CAT-1/g-C3N4复合材料的成功合成;扫描电子显微镜和透射电子显微镜结果表明针状Ni-CAT-1生长在g-C3N4基底表面,且分散较均匀;利用紫外-可见漫反射测试和平带电位测试分析得到了Ni-CAT-1/g-C3N4复合材料的带隙以及导带价带位置,证实了催化满足光催化分解水产氢的热力学需求;光电化学表征证实了Ni-CAT-1的引入能够有效改善光生电子空穴的复合;光催化活性测试结果表明(11%)Ni-CAT-1/g-C3N4复合材料制氢产率为2.76 mmol·h-1·g-1,是纯g-C3N4活性的3.5倍(0.77 mmol·h-1·g-1)。进一步通过明确催化剂电子转移情况,探究了光催化制氢机理:受到激发的电子由g-C3N4转移至Ni-CAT-1上参与还原反应产生氢气。进而,利用晶态多孔的三嗪框架(Covalent Triazine Framework,CTF)光催化剂与导电MOF复合,制备了基于晶态多孔材料的光催化剂,实现了催化剂在可见光下性能的进一步提高。通过将不同质量的CTF引入到Ni-CAT-1的合成体系中,原位合成了系列不同比例的Ni-CAT-1/CTF复合材料。随后通过X射线粉末衍射(PXRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(EDS)证实了Ni-CAT-1/CTF复合材料的成功合成;利用光电化学表征从热力学上确定了Ni-CAT-1/CTF复合材料满足光催化制氢的条件且Ni-CAT-1的引入能够有效改善光生电子空穴的分离和复合情况;光催化活性测试表明(5%)Ni-CAT-1/CTF复合材料的制氢产率为8.029 mmol·h-1·g-1,是纯CTF活性的4倍(1.958 mmol·h-1·g-1)。通过分析确定复合材料中电子的转移,证实了Ni-CAT-1的引入可以有效促进CTF中光生电子空穴的分离和传输,从而大大提高光催化活性。
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