【摘 要】
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太阳能驱动催化剂分解水制氢能够将氢能直接储存起来,其中有光催化和光热催化两种方式。催化剂的析氢速率与其氢吸附和氢解析动力学有关,因此如何使氢气从催化剂表面快速有效地脱附出来,成为制约光/光热催化析氢速率的关键因素。近年来,有研究发现原子氢物种可以从金属颗粒自发迁移至载体表面,这种现象被称为氢溢流,其被认为在涉及氢的催化过程中起着主要作用。氢溢流现象的发生需要两个活性中心,即一级活性中心金属原子,二
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(No. 22008167, 21978187, 21978196); 山西省自然科学基金项目(No. 201901D211100, 201901D211058,20210302124336); 山西省高等学校科技创新项目(No. 2019L0138, 2019L0143);
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太阳能驱动催化剂分解水制氢能够将氢能直接储存起来,其中有光催化和光热催化两种方式。催化剂的析氢速率与其氢吸附和氢解析动力学有关,因此如何使氢气从催化剂表面快速有效地脱附出来,成为制约光/光热催化析氢速率的关键因素。近年来,有研究发现原子氢物种可以从金属颗粒自发迁移至载体表面,这种现象被称为氢溢流,其被认为在涉及氢的催化过程中起着主要作用。氢溢流现象的发生需要两个活性中心,即一级活性中心金属原子,二级活性中心主要为三氧化钨、二氧化钛等还原性金属氧化物载体。当前对氢溢流效应的研究均集中在金属颗粒和载体上。然而,光催化剂的表面在合成过程中可能会产生有机小分子基团,对氢迁移有一定促进作用,即研究表面基团对氢溢流的影响有着重要意义。基于此,本文利用多功能乙二醇(EG)制备了Ru负载Ti O2复合材料,重点研究了EG对氢溢流的促进作用。首先以甲醇为牺牲剂,将其应用于光催化制氢反应中,基于氢溢流效应对其产氢性能和反应机理进行了研究。而后将其涂覆在不同基底上用于光热协同催化制氢反应中,研究了光热效应对产氢性能的影响。具体工作如下:(1)本文首先利用EG将Ru负载到Ti O2上,作为对比,以Na HB4为还原剂合成了Ru/Ti O2催化剂,并对其进行光催化制氢性能测试。实验结果表明,EG和Ru共同改性的Ti O2具有最佳的析氢速率,为15.9 mmol/g/h,分别是EG改性的Ti O2(0.3 mmol/g/h)和Ru/Ti O2(6.2 mmol/g/h)的53.0倍和2.5倍。然后利用XRD、SEM、TEM、FT-IR和XPS表征技术对其结构形貌和化学组分进行了分析,通过H2-TPR、H2-TPD和In-situ FTIR技术证明了光催化制氢反应中在EG-Ru/Ti O2和Ru/Ti O2催化剂表面有氢溢流现象发生。并且EG的存在会促进H*的迁移以及载体Ti O2上H2的脱附,这是EG和Ru共同改性Ti O2可以提升光催化制氢速率的主要原因。(2)随后,在上述工作的基础上,将制备的催化剂涂覆在滤膜(FM)和碳布(CC)上,构建了三相光热协同催化制氢体系,并测试了其析氢性能。实验数据表明三相EG-Ru/Ti O2(FM)光热协同催化制氢速率最高,达到了101.3 mmol/g/h,是EG-Ti O2(FM)的126.7倍,是双相EG-Ru/Ti O2(FM)光催化体系的2.9倍。然后利用XRD、SEM、FT-IR和XPS表征技术对其结构形貌和化学组分进行了分析,通过DRS表征和红外热成像测试表明Ru原子具有明显的光热效应,可以提高EG-Ru/Ti O2(FM)表面的局部温度,金属原子与载体之间的温度差有利于H*的溢流,进而提升光热催化制氢性能。这项研究为设计高效制氢体系提供了新的思路。
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