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摘 要

工业的迅速发展导致能源损耗巨大，同时环境污染问题也不可避免，急需寻找清洁能源。氢能被视作理想的清洁能源，是解决资源与环境这两大难题的重要途径。利用光催化技术能够将太阳能资源转化为氢能，为两大难题的治理提供了思路。光催化性能的研究大多在于材料的结构与性能，较少研究催化过程中的传质和氢气在活性点释放的问题。微纳马达具有自运动特性利用不同原理工作的特殊装置，已经广泛应用于医药、材料等领域。本实验设计了一种复合微纳马达的光催化材料。通过马达的自驱动加速光催化剂周围流体的运动，增加光催化过程中的传质效率及产物从活性位点的释放，同时利用碳质材料所具有的光热效应，进一步提高光催化性能。同时采用XRD，SEM，TEM，紫外及红外等手段对材料的结构与性能进行表征，采用光解水产氢来测试其光催化性能。

关键词:光催化产氢 复合 碳质材料 微纳马达

Design and Performance Research of Micro-nano Motor Composite Photocatalytic Materials

Abstract

The rapid development of industry has led to huge energy losses, and the problem of environmental pollution is also inevitable. There is an urgent need to find clean energy. Hydrogen energy is regarded as an ideal clean energy source. Photocatalytic technology uses abundant solar energy resources, and converts it into hydrogen energy, which has become an important way to solve the two major problems of resources and the environment. The research on photocatalytic performance mostly lies in the structure and performance of the material, and less on the mass transfer in the catalytic process and the release of hydrogen gas at the active point. Micro-nano motors have special devices with self-moving characteristics that use different principles to work, and have been widely used in medicine, materials and other fields. In this experiment, a photocatalytic material of composite micro-nano motor was designed. The self-driving of the motor accelerates the movement of the fluid around the photocatalyst, increasing the mass transfer efficiency and the release of products from the active site during the photocatalytic process, while using the photothermal effect of the carbonaceous material to further improve the photocatalytic performance.XRD, SEM, TEM, ultraviolet and infrared are used to characterize the structure and performance of the material, and the photocatalytic performance is tested by the ability of photolysis to produce hydrogen.

Keywords: Photocatalytic hydrogen production; Compound; Carbonaceous materials; Micro-nano motor.

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2光催化简介 2

1.2.1光催化原理 3

1.2.2影响光催化的因素 3

1.3微纳马达简介 4

1.3.1微纳马达分类 5

1.3.2微纳马达的制备 6

1.3.3微纳马达的应用 7

1.4 g-C₃N₄简介 7

1.4.1 g-C₃N₄的结构 7

1.4.2 g-C₃N₄的制备 7

1.5研究目的和意义 9

第二章 实验部分 10

2.1实验方案分析 10

2.2实验试剂 10

2.3实验仪器 11

2.4实验方案 11

2.4.1 材料的合成 11

2.4.2 样品的表征与测试 12

第三章 预测结果与讨论 13

3.1晶体结构分析 13

3.1.1碳球与碳瓶的晶体结构 13

3.1.2 g-C₃N₄以及碳瓶马达复合g-C₃N₄的晶体结构 13

3.2微观形貌分析 13

3.2.1碳球和碳瓶的微观形貌分析 13

3.2.2碳瓶马达复合的g-C₃N₄的形貌分析 14

3.3 紫外可见漫反射光谱 14

3.4 荧光测试 14

3.5光催化性能测试 14

第四章 预测实验结论 16

参考文献 17

致谢 19

第一章 绪论

1.1引言

科技发展的速度愈来愈快，大量资源被开采，不可再生资源的开拓，越来越不能满足世界各国的需求。我国作为世界上最大的发展中国家，在科技发展中有着不可小觑的地位，同时还有着能源储藏量巨大的优势，与之对应的能源消耗量巨大的基本特点。能源短缺问题已经成为世界性的难题，世界国家都在致力于开发新的能源。同时这些不可再生资源引起的环境污染问题日益严重，污染物排放所引起的雾霾问题，严重影响到国家的经济发展，我国积极实行可持续发展战略，秉持着以人为本的观念，国家积极推动清洁能源的开发与利用。能源与环境是国家经济发展的基础与支柱，因此新能源的开发与利用迫在眉睫。近年来世界各国有无数的科学家致力于太阳能的开发与利用，进行了多方面多层次的各种专题的研发，取得了巨大的成果。结合我国的现状，国土面积大，有足够的实力对丰富的太阳能资源进行收集和利用，甚至每年可利用量达到2010年总消耗能量的几百倍。丰富的资源又带来了储存的问题，其中一种方法就是利用光催化技术，经过该技术的处理，能够将其转化为氢能，以此来弥补太阳能利用时的制约。氢能是这项技术的着眼点，它是一种清洁能源，而且是一种无碳能源。氢能源能量密度高，使用方便，被视作理想的清洁能源。近年来科学技术的进步也使得氢能源不同的领域发挥作用。从20世纪70年代，光催化技术开始受到关注，科学家成功将TiO₂分解为氢气与氧气，光催化研究步入了正轨，开始作为氢能的一种制备方法。目前光催化的研究主要集中在光催化材料本身的研究与优化方面，与其他方面如光催化过程中的传质以及氢气的活性释放等方面研究比较少。微纳马达与光催化技术结合已经用于化学、降解等微观作业方面，因此可以将光催化技术与微纳马达技术相结合，提高传质效率以及活性点的释放，从而可以提高光催化性能，该研究有着巨大前景。

1.2光催化简介

在光的作用下进行的催化反应定义为光催化技术，经过光的照射，光催化剂能够对特定波长的辐射进行吸收，自身不会发生变化，会产生电子空穴对，在此基础上发生一系列的化学反应，同时会利用太阳能，将其进行转化为反应时所需要的能量，该过程中产生的催化作用也能够使化学反应更易发生。在光催化剂的催化作用下，氧气和水分子转化为自由负离子，可以分解对人体有害的物质，却不增加任何附加的污染。光催化技术利用太阳能，具有环保节能的优点，是目前极具重视的一种新兴技术，目前被广泛应用于进行降解空气和废水中的有害物质。光催化在有机废水降解上具有其优势，能够避免二次污染，其基本原理在于光照下使废水中的有害有机物发生反应，产物为无害的有机物以及水和二氧化碳，此过程反应速度快，效率高。

光催化技术涉及多种领域，结合了多种知识，比如在该过程中涉及光化学，材料的吸光能力强弱与催化的效果有密切联系，可以通过增大吸光范围和吸光效率来增强性能；同时还涉及催化化学等。1967年，Fujishima 在 Honda 指导下^[1]，发现在紫外光照射下，TiO₂ 电极能够将水分解为氢气和氧气，即“本多-藤岛效应”(Honda-Fujishima Effect)。1972 年，这一发现被发表在 Nature 上，由此进入多相光催化新时代^[2]。在不同的领域、不同的方面该技术被不断改进，现如今光催化技术在更多的领域被开发利用，随着科学技术的进一步发展，其应用会更加广泛。光催化技术目前主要应用于空气的净化和还原、污染物的降解、太阳能电池、自清洁等方面。光催化能够降解难降解有机物和对环境有较大影响的石油化工气体，并且降解效率高。自1998年以来，越来越多的光催化领域成果不断涌现出来，人们对光催化技术的关注来越多。越多的人投身于光催化领域，光催化技术成为科学研究中的大热门。

1.2.1光催化原理

图1-1电子激发及迁移过程

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