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摘 要

传统光催化剂半导体通常带隙宽，所需要的激发光子能量高，使得其基于现有光催化体系只能利用太阳光中占比极小的紫外光，而对太阳光中的长波近红外光吸收利用率较低，这严重地限制了其光催化效率。近些年有研究发现近红外光可以被很多光热转化材料高效的转化为热能，从而提高对太阳光谱的利用。本课题就构造高效光转热结构模式，将近红外光转化为热能，供应给反应体系，从而促进光催化制氢效率。

本课题将通过测试光热材料负载量与光催化剂阵列密度对光热转换效率的影响；通过控制晶种密度和制备氧化钛阵列的工艺参数，测试其阵列密度及其长径比对性能的影响；通过设置对照组，测试光热效应其产氢性能的影响。预期通过以上的实验发现，光热转换效率在光催化剂阵列密度与光热材料负载量呈一定比值时存在最大值；阵列密度和晶体长径比在特定值时光催化性能最佳；在本课题所构建的高效的光转热结构模式中的光催化效率，可能远高于传统模式下反应发生在水体内部的效率。

关键词：光催化制氢 光热转换 阵列 全光谱

Construction of efficient photothermal structure and study on enhanced photocatalytic hydrogen production

Abstract

The conventional photocatalyst semiconductor usually has a wide band gap and requires high excitation photon energy, which makes the existing photocatalytic system based on it can barely use the near-infrared light in the solar light, which seriously limits its photocatalytic efficiency. In recent years, it has been found that near-infrared light can be efficiently converted into heat energy by many photothermal conversion materials, thus improving the utilization of solar spectrum. In this paper, the structure mode of high efficiency light-to-heat is constructed, and the near-infrared light is converted into heat energy and supplied to the reaction system, thus promoting the efficiency of photocatalytic hydrogen production.

This project will be conducted by testing the load of photothermal materials with the effect of photocatalyst array density on the photothermal conversion efficiency; the influence of photocatalyst array density and the photocatalytic performance of catalyst nanorods was tested by controlling the seed density and the process parameters of preparing titanium oxide array; and the effect of photothermal effect on its hydrogen production performance was tested by setting the control group. It is expected from the above experiments that there will be a optimal value of the photothermal conversion efficiency when the density of photocatalyst array is in a certain ratio to the load of photothermal material; the array density and crystal length-to-diameter ratio have the best catalytic performance at a certain value time; and the photocatalytic efficiency in the efficient photo-to-thermal structure mode constructed in this paper may be much higher than that in the traditional mode.

Key words: Photocatalytic hydrogen production; Photothermal conversion; TiO₂ array; Full spectrum

目 录

摘要 II

ABSTRUCT III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 光催化制氢 2

1.2.1 原理 2

1.2.2 影响光催化制氢的因素 3

1.3 光催化剂 4

1.3.1常用光催化剂 4

1.3.2 改性方法 5

1.4 光热转换材料 7

1.5 研究进展 8

1.6 本课题主要研究的内容和手段 9

1.6.1 研究目的 9

1.6.2 研究内容 9

第二章 实验方案 10

2.1 实验原料 10

2.2 实验仪器与设备 11

2.3 制备方法 11

2.4 实验流程 11

2.4.1 实验材料前处理 12

2.4.2 光热材料担载 12

2.4.3 TiO₂阵列制备 12

2.4.4 表征测试 13

2.4.5 光催化产氢效率测试 13

第三章 结果预测与分析 15

3.1晶型表征——XRD测试 15

3.2形貌表征——SEM测试 15

3.3 光热转换效率的测试 16

3.4 光电流的测试 16

3.5 产氢性能测试 17

3.6 催化剂调整方法 18

第四章 预测实验结论 19

参考文献 20

致谢 23

第一章 绪论

1.1 研究背景

伴随着工业极速发展带来的人口膨胀，人类不断索取更多能源。传统的不可再生能源的储量随着工业发展的消耗已经日益衰竭。此外，化石能源在使用过程中会造成大量污染，这造成了严重的环境问题。为了解决当今世界面临的这一问题，开发可以代替化石能源的可再生能源，提高其在能源结构中的占比是目前研究的一个热点。在众多可再生能源中，太阳能因总量巨大、廉价、清洁的特点而成为了一个良好的选项。

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