| 题名 | 具有上转换功能的制氢催化剂构效关系研究 |
| 作者 | 高薇 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 吕功烜 |
| 关键词 | 光催化分解水 可见-紫外/近红外-可见上转换 氢氧复合 RGO |
| 学位名称 | 理学博士 |
| 其他题名 | 无 |
| 学位专业 | 物理化学 |
| 英文摘要 | 拓宽催化剂的光谱响应范围、提高载流子利用率以及抑制光催化反应过程中氢氧复合逆反应是提高太阳能光催化分解水制氢效率的几个关键科学问题。针对以上研究方向，本论文构建了上转换发光材料/半导体复合光催化剂体系来拓宽催化剂的光响应范围，复合具有优异电子传输性能的石墨烯碳材料来提高光生电子利用率，并引入全氟萘烷或人工鳃吸氧剂抑制氢氧复合来提高催化剂的产氢活性。主要研究了可见上转换为紫外/近红外上转换为可见两类上转换光催化剂体系，并通过对光催化剂的结构、光电化学性质及光催化制氢性能的研究得出相应反应机理。本学位论文主要获得了如下研究结果： 1. 选择具有相对较高可见-紫外上转换效率的Pr3+-Y2SiO5(Pr3+-YSO)作为转光剂，以紫外光响应、拥有长寿命光生电子的Pr3+-CaTiO3(Pr3+-CTO)作为产氢催化剂，贵金属Pt作为产氢助催化剂，并在全氟萘烷(PFDL)的辅助下构建了可见光驱动的完全分解水制氢体系。Pr3+-CTO复合转光剂Pr3+-YSO形成Pr3+-CTYS/Pt后，具备了将可见光(447-589 nm)上转换为紫外光的(254-343 nm)荧光发光能力，且在可见光下获得了稳定的光电流，即Pr3+-YSO有效地将可见光上转换为紫外光并传递给Pr3+-CTO产生光生电子-空穴，用于进一步分解水制氢。通过调整Pr3+-YSO和Pr3+-CTO的加入量及使用PFDL作为吸氧剂，产氢活性提高了2倍，在417 nm处的量子效率为0.014%。 2. 同样通过溶胶-凝胶及高温煅烧的方法合成了Pr3+-YSO、Pr3+-CTO及Pr3+-CTYS催化剂，并加入石墨烯(RGO)、Pt最终合成了RGO/Pr3+-CTYS/Pt复合光催剂体系。实验表明Pr3+-YSO成功地将可见光上转换为紫外光并激发Pr3+-CTO产生光生电子用于分解水制氢。得益于RGO优异的电子传输性能，光生电子的分离传输得到了有效地提升，提高了光生电子的利用率；同时辅助于人工腮对氧气的选择透过性，使反应过程中氢氧复合逆反应得到了一定程度的抑制，最终使光催化产氢活性得到了提高。综合所有功能化结构，RGO/Pr3+-CTYS/Pt光催化体系成功实现了可见光驱动的完全分解水制氢。 3. 选择具有相对较高近红外-可见上转换效率的NaYF4-Er3+/Yb3+(NYFYE)作为上转换组分，可见光响应的CdS作为光催化剂，贵金属Pt作为产氢助催化剂，并在全氟萘烷(PFDL)的辅助下构建了近红外光驱动的完全分解氢体系。由UV-vis-NIR吸收谱图及荧光光谱结果表明，NaYF4-Er3+/Yb3+在近红外光区(980 nm)有明显吸收且能将其上转换为可见光(438、450 nm)，这一特性成功表现于复合催化剂Pt/CdS/NYFYE中。且由XPS结果表明，在CdS与NYFYE之间形成了电荷偏移作用力，有效地促进了光生空穴向NYFYE转移提高催化剂光稳定性。在980 nm激光下该催化体系完全分解水产氢速率为3.38 μmol•g-1•h-1，相应激光能量到氢能的转换率为0.008%，成功实现了近红外光驱动的光催化全分解水。 4. 于Pt/CdS/NYFYE体系基础上，在无任何吸氧剂条件下，对比引入RGO、碳纳米管(CNT)来研究其在近红外光区光催化产氢活性。结果表明只有RGO表现出了对产氢活性的促进作用，表征结果显示这种差别归因于RGO所具有的特殊2D网状结构。Pt/CdS/NYFYE附着于RGO网状表面能够更好地构成催化剂与上转换材料的结合，借助RGO优异的电子传输性提高光生电子-空穴分离效率，进而提高电子利用率。综合NaYF4-Er3+/Yb3+上转光特性以及与CdS之间的电荷偏移作用力，Pt/CdS/RGO/NYFYE在980 nm激光下获得4.54μmol•g-1•h-1的完全分解水产氢速率，相应激光能量到氢能的转换率为0.011%，相比Pt/CdS/NYFYE (PFDL)体系获得了一定地提高。 |
| 学科主题 | 不填 |
| 目次 | 不填 |
| DOI标识 | 不填 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/26401]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_OSSO国家重点实验室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院兰州化学物理研究所; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 高薇. 具有上转换功能的制氢催化剂构效关系研究[D]. 北京. 中国科学院大学. |
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