摘 要

伴随着人类生活水平的日渐提高，能源匮乏和环境污染将是人类面对的两大十分严峻的问题。因而，很多半导体光催化剂可在室温下将太阳能转化为清洁的化学燃料实现能源再生受到了广泛关注，其中可见光水分解产生氢能源被认为是最有潜力的策略之一。在诸多半导体催化剂中，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）这一新型有机半导体因具有无毒廉价易得、制备方法简单、稳定性好、可见光响应等突出优点而成为近年来能源和环境领域的研究热点。但是，由于单一的g-C₃N₄光生电子和空穴复合快，导电性差致使其光催化效率并不高，这严重阻碍了其在光催化领域的发展应用。因此，提高太阳能的利用率，降低光生电子和空穴的复合成为了提高光催化反应效率最为有效的途径。

在本研究中，通过一种简单的光淀积方法制备了非合金Au/PtO纳米颗粒(NP)改良的g-C₃N₄ 。本研究所获取的含有共生Au和PtO助催化剂的g-C₃N₄合成物在光催化制氢的循环实验中展示出很高的催化活性和很好的稳定性。最优的Au-PtO/g-C₃N₄光催化剂下的氢制备率达到了16.9 μmol h^-1，这一数值分别为PtO/ g-C₃N₄的1.5倍和Au/ g-C₃N₄的10.6倍。

关键词：石墨相氮化碳；Au/PtO纳米颗粒；表面等离子体共振；光催化制氢。

Abstract

Along with rising of the living standards, energy shortage and environmental pollution will be the two serious problems that mankind faces. Many semiconductor photocatalyst can transmuted into solar energy into chemical fuel which is clean, renewable energy has provoked widespread attention at room temperature, the visible light water decomposition hydrogen energy is considered to be one of the most potential strategies. In many for semiconductor catalyst, graphite phase carbon nitride (g-C₃N₄) which is a novel organic semiconductor due to its non-toxic, inexpensive and easy to get prepared method is simple, good stability, visible light response advantages and become the research hotspot in the field of energy and environment in the past few years. However, the single g-C₃N₄ photo-generated electrons and holes recombination is fast, and the conductivity is poor, so the photocatalytic efficiency is not high, which seriously hinders its application in the field of photocatalysis. So, to improve the utilization of solar energy and reduce the recombination of photo-generated electrons and holes is the most effective way to improve the efficiency of photocatalytic reaction.

In this work, unalloyed Au/PtO nanoparticle (NP) co-modified graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) photocatalyst is fabricated through a simple photodeposition method. The obtained g-C₃N₄ composites with co-existed Au and PtO cocatalysts exhibit a considerable enhancement in the photocatalytic hydrogen evolution activity and possess good stability during cycling experiments. The optimal Au-PtO/g-C₃N₄ photocatalyst shows a H₂ production rate of 16.9 μmol h-1, which exceeds that of PtO/g-C₃N₄ and Au/g-C₃N₄ by a factor of 1.5 and 10.6, respectively.

Keywords: Graphitic carbon nitride; Au/PtO nanoparticles; Surface plasmon resonance; photocatalytic hydrogen evolution.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言...................................................................................................................................1

1.2 光催化制氢技术 1

1.2.1 光催化制氢技术原理 1

1.2.2 半导体光催化剂分类 2

1.3 石墨相氮化碳的基本性质 3

1.3.1 g-C₃N₄的组成结构 3

1.3.2 g-C₃N₄的光吸收性质 3

1.3.3 g-C₃N₄作为光催化剂的优缺点 4

1.4 g-C₃N₄改性策略 5

1.4.1 非金属元素的掺杂 5

1.4.2 增大比表面积 5

1.4.3 贵金属负载 5

1.5 研究内容及意义 5

第二章 实验过程 7

2.1 实验材料及仪器 7

2.1.1 材料的制备 7

2.1.2 实验及测量仪器 7

2.2 Au/PtO-g-C₃N₄复合光催化材料的制备及表征 8

2.2.2 表征方法 9

2.2.3 光催化产氢测试 10

2.2.4 光电化学测试 10

第三章 实验结果与讨论 11

3.1 相结构及形貌 11

3.2 紫外-可见光谱分析 12

3.3 比表面积和孔尺寸分布 13

3.4 XPS分析 14

3.5 光催化制氢活性 15

3.6 电荷传输和光催化活性提高的机理 17

第四章 实验结论 20

参考文献 21

致 谢 24

绪论

1.1 引言

氢能是世界上公认的清洁能源，它作为一种低碳和零碳能源脱颖而出。氢能作为一种理想的新的能源，它具有以下诸多特点：重量轻；导热性好；普遍元素；回收利用；理想的发热值；燃烧性能好；利用形式多；多种形态；耗损少；利用率高；运输方便；减少温室效应。

当下，氢气的生产技术有以下几种：热化学循环制氢，电解水制氢，矿物燃料制氢，太阳能光催化制氢等。矿物燃料技术产氢由于煤资源应用广泛，广泛应用，但是由于需要处理固体物料，回产生较高成本，矿物燃料制氢的发展正在逐步减慢。

因此，就利用可持续能源满足未来的需求而言，利用高效、稳定、廉价并能收集光的催化剂和太阳能用水制备氢是一种理想的无需依赖化石储量的未来能源。

1.2 光催化制氢技术

1.2.1 光催化制氢技术原理

1972年fujishima和honda描述了第一例TiO₂半导体电极所组成的电化学电解槽，通过光解水的方法将光能转化为氢和氧的化学能^[1]。以TiO₂为例，在370 nm的光照下，TiO₂中的电子从价带被激发到导带上，从而产生高活性的电子-空穴对。电子和空穴被光所激发，主要是存在俘获和复合两个互相竞争的过程，光致空穴具有很强的氧化性，可以夺取半导体颗粒表面吸附的有机物或者溶剂中的电子，使原本不吸收光而无法被光子直接氧化的物质，通过光催化剂被活化氧化。而光致电子具有很强的还原性，能使半导体表面的电子受体被还原，这两个过程均为光激活过程，同时迁移到体内和表面的光致电子和空穴又存在复合的可能，此为去激活过程，对光催化反应无效。水则在这种电子空穴对的作用下发生电离产生H₂和O₂^[1] .