摘 要

目前，在太阳能的驱动下通过光催化反应，光催化产氢已发展成为一种绿色、高效的解决能源问题的方法。为了社会的发展进步，探索开发一种新型、高效的半导体光催化材料是光催化技术研究的重中之重。

总结整理光催化研究历程上有效的半导体光催化材料，发现氮化碳(C₃N₄)和钒酸铋（BiVO₄）均为可见光响应光催化剂，但是由于它们的电子一空穴复合率较高，使其光催化性能不显著。为了探究发现一种高效的半导体光催化材料，尝试将这两种有提升空间的半导体催化材料复合或许会取得意想不到的结果。因为通过两种半导体材料复合，可以抑制电子一空穴的复合，使其光量子化效率提高。本文通过复合材料催化产氢效率来考察其复合后的光催化性能。

关健词：可见光催化;氮化碳;钒酸铋;复合型催化剂;催化产氢

Abstract：

At present, under the driving of solar energy through photocatalytic reaction, photocatalytic hydrogen production has developed into a green and efficient way to solve energy problems. For the development and progress of society, to explore the development of a new and efficient semiconductor photocatalytic material is the most important research of photocatalytic technology.

C₃N₄ and BiVO₄ are all visible light-responsive photocatalysts, but because of their high electron-hole recombination rate, the photocatalytic properties of the photocatalytic materials Catalytic performance is not significant. In order to explore the discovery of an efficient semiconductor photocatalytic material, it is possible to try to combine these two kinds of semiconductor materials with improved space to achieve unexpected results. Because of the combination of two kinds of semiconductor materials, it is possible to suppress the recombination of electron-hole and improve the photonization efficiency. In this paper, the photocatalytic performance of the composites was investigated by the hydrogen evolution efficiency of the composites.

Key words: visible light catalysis; carbon nitride; bismuth vanadate; composite catalyst; catalytic hydrogen production

目录

摘要： I

Abstract： II

第一章 绪论 1

1.1 光催化技术 1

1.1.1 光催化反应的原理 1

1.1.2 光催化反应的应用 2

1.1.3 光催化还原反应 2

1.1.4 光催化氧化反应 3

1.1.5 协同光催化氧化还原反应 4

1.2 石墨相氮化碳(g-C₃N₄)的介绍 4

1.2.1 石墨相氮化碳(g-C₃N₄)概述 4

1.2.2 光催化水解制氢制氧 5

1.2.3 g-C₃N₄光催化性能的改进方法 5

1.3 钒酸铋（BiVO₄)的介绍 7

1.3.1 钒酸铋（BiVO₄)的概述 7

1.3.2 钒酸铋(BiVO₄)的制备 8

1.3.3 钒酸铋(BiVO₄)的光催化研究 8

1.4 本文研究内容 9

第二章 g-C₃N₄与BiVO₄复合Z型光催化剂的设计及光催化性能研究 10

2.1 实验部分 10

2.1.1 试剂与仪器 10

2.1.2 g-C₃N₄制备 11

2.1.3 BiVO₄制备 11

2.1.4 Ag(1wt%)/CoO_x(3wt%)-BiVO₄制备 11

2.1.5 g-C₃N₄-Ag/CoO_x-BiVO₄制备 12

2.1.6 光催化制氢性能测试 12

2.1.7 催化剂表征 12

2.2 结果与讨论 12

2.2.1 产氢速率分析 12

2.2.2 FESEM分析 13

2.2.3 XRD分析 14

2.2.4 红外 15

2.2.5 UV-Vis DRS分析 16

2.2.6 g-C₃N₄/BiVO₄复合Z型光催化剂性能测试 16

2.2.7 g-C₃N₄/BiVO₄光催化机理的分析 17

2.3 结论： 18

参考文献： 19

致谢 22

第一章 绪论

20世纪30年代，研究发现在太阳光照射下，TiO₂对纤维具有降解的作用，并且TiO₂可持续起到降解作用，反正过程中不发生变化^[1]，起到催化剂的作用。随着社会的不断发展，科技的不断进步。光催化技术的研究逐步成长，逐渐开始了光催化技术在解决环境污染方面的研究应用。经过科学家们的不断探究，发现光催化剂可以将有机物光催化氧化分解为无污染的无机物二氧化碳和水。现今，光催化技术己成功实现了对染料、碳氢化合物等有机污染物的降解以及重金属的还原。光催化技术的核心是光催化剂。目前最研究成熟的是TiO₂系光催化剂，但是TiO₂系光催化剂对于满足社会应用需求力有不逮^[2]，首先，TiO₂的禁带宽度为3.2 eV，对可见光不吸收，只能吸收387nm以下的紫外光，对太阳能的利用率较低；其次，TiO₂的晶体结构不稳定，与其它材料复合时晶体结构容易遭到破坏；再者，由于TiO₂的光还原能力较弱，因此还原制氢效率低下。虽然光催化技术的不断发展进步，但是降低光催化反应的条件，实现常温常压下也可以发生光催化反应的任务任重而道远。为了更美好的明天，我们必须对催化剂有更深入的了解。

1.1 光催化技术

1.1.1 光催化反应的原理

从半导体光化学角度看，光催化技术是半导体光催化材料在光的照射下促使发生一些平常不能发生的氧化还原反应的技术。当入射光子的能量大于或等于半导体材料的禁带宽度(Eg)时，半导体材料吸收光能，其产生光生电子(e^-)和空穴(h )。在半导体中，导带上的电子(e^-)对应的标准氢电极电势(NHE)为 （ 0.5 ~ -1.5V），常用作还原剂；价带上的空穴(h )对应的标准氢电极电势(NHE)为（ 1.0~3.5 V），表现出极强的氧化性^[3]。

半导体材料在光照下吸收光能产生光生电子，然后通过光生电子的转移将催化剂吸收的光能转化为化学能。和常规催化的热力学反应相比，光催化既能促进自发反应(△G＜0)进行，又能促进非自发反应(△G＞0)发生^[3]。在自发反应下，输入的能量用于克服活化能障碍进行光催化反应;在非自发反应下，输入的能量一部分转换成化学能存储在反应产物上^[3]，另一部分用于克服活化能障碍进行光催化反应。