论文部分内容阅读
新能源的开发和利用是解决目前能源短缺、环境污染等问题的重要途径，而光催化分解水产氢和电催化氧气还原反应(ORR)作为其中关键的科学问题受到了研究者的广泛关注。其中，催化剂的设计与制备是上述反应的核心问题之一。目前，受限于半导体制备工艺的发展，光/电催化剂通常存在可见光吸收效率低、光生载流子复合速率快、物质传输慢以及暴露活性位点数少等问题，同时大量贵金属的使用也极大地限制了这些催化剂的应用前景。而碳纳米材料比表面积大、导电性强、稳定性高且价格低廉，在催化反应中具有广阔的应用前景。因此，发展基于碳纳米材料的新型光/电反应催化剂并研究其催化机制具有重要的科学意义。本论文从碳基纳米催化剂的设计出发，通过调控其尺寸、孔结构以及氮缺陷的含量，提高催化剂的可见光吸收效率、降低光生电子空穴复合速率，从而显著提高其光电催化反应活性。 1.通过水热法制备了碳量子点与二氧化钛(P25)的复合光催化剂。该复合催化剂不仅在全光谱范围内提高了光催化产氢的活性，还表现出可见光产氢活性。瞬态光电流、表面光电压和羟基自由基检测等结果表明，碳量子点在复合催化剂中既可以作为电子受体抑制光生载流子复合，同时又可作为可见光敏化剂。在此基础上，通过钝化氮掺杂的碳量子点来减少缺陷、提高荧光量子产率，可提升它作为电子受体和光敏化剂的能力，进而使其与P25复合物的光催化产氢性能得到进一步的提升。 2.发展了一种碱辅助原位生成氮缺陷的石墨化碳氮聚合物(g-C3Nx)光催化剂的制备方法。g-C3Nx中氮缺陷的生成有效提高了产物的可见光吸收范围、光生电子空穴的分离能力，从而显著提高了其在可见光下催化分解水产氢性能。实验表征及理论模拟均表明，氮缺陷的引入可以降低g-C3Nx的导带位置，从而使其禁带宽度减小，进而提高其可见光吸收范围。更重要的是，这一方法具有良好的普适性与可控性，不仅适用于以其他碱和原料为前驱物制备g-C3Nx，还可以在较大范围内有效地调控产物的能带结构。 3.发展了一种以g-C3N4为模板及氮源制备含氮掺杂的碳纳米片的合成策略。利用g-C3N4的模板作用，制备片状形貌纳米碳，且碳纳米片中含有丰富的微孔、介孔结构。通过调节反应温度可以有效控制碳纳米片的比表面积和氮掺杂程度，进而影响碳纳米片的ORR电催化性能。其中性能最好的碳纳米片表现出接近商用铂碳催化剂的优异性能，还具有很好的稳定性和甲醇耐受能力，这为设计ORR的高效非金属催化剂提供了新思路。