【摘 要】
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煤炭和石油经济的快速发展给人类带来了极大的便利,但是环境问题和能源危机伴随着煤炭石油经济的发展一同到来。而光催化制氢被人们认为是解决全球能源问题的有潜力的绿色途径。g-C3N4化合物因其具有利于产氢的能带结构,高理化稳定性等优势而引起了大众的关注。但是它也面临着导电率低、载流子复合率高、吸收范围窄等问题,这限制了光催化制氢反应活性的提升。本文以助催化剂和掺杂作为调节催化剂能带结构和减少电子-空穴复
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煤炭和石油经济的快速发展给人类带来了极大的便利,但是环境问题和能源危机伴随着煤炭石油经济的发展一同到来。而光催化制氢被人们认为是解决全球能源问题的有潜力的绿色途径。g-C3N4化合物因其具有利于产氢的能带结构,高理化稳定性等优势而引起了大众的关注。但是它也面临着导电率低、载流子复合率高、吸收范围窄等问题,这限制了光催化制氢反应活性的提升。本文以助催化剂和掺杂作为调节催化剂能带结构和减少电子-空穴复合率的手段,以提升g-C3N4光催化剂催化活性为主要研究内容,利用磷掺杂对g-C3N4光催化剂的能带结构和表面电荷分布进行调节,制备磷掺杂g-C3N4光催化剂,即PCN光催化剂。利用PCN的富电子特性锚定过渡金属离子,热解磷化后实现过渡金属助催化剂的负载,设计了Ni2P和Co P两种助催化剂改性的磷掺杂的g-C3N4光催化剂,即Ni2P/PCN和Co P/PCN光催化剂。PCN的能带结构与助催化剂良好的匹配,利用助催化剂本身的强吸电子能力,提高电子-空穴分离效率达到提升光催化产氢的目的。PCN表现出良好的催化活性和循环稳定性,测试结果显示最佳掺杂含量的PCN-6颜色为棕黄色,平面富电,带隙缩小0.28 e V,平均制氢速率达到157.6μmol h-1 g-1,是块体g-C3N4的8倍,表明P掺杂能够有效地提升g-C3N4的催化性能。运用液相原位锚定方法将镍源与PCN进行吸附锚定,通过热处理成功制备得到Ni2P/PCN光催化剂,UV-vis测试结果显示Ni2P/PCN催化剂的光吸收范围明显增大,光电流曲线显示可见光下能够有效的分离电子-空穴对,提升了Ni2P/PCN光催化产氢活性,PCN的ECB上的电子转移到Ni2P上,最高制氢速率为274.22μmol h-1 g-1,是g-C3N4的1.8倍。为了横向比较同周期钴基助催化剂磷催化活性,同时探究Co P助催化剂在促进光催化产氢上的机理,制备了Co P/PCN复合催化剂,经过表征结果分析得出优化后的PCN与Co P（～1.6 e V）形成II型转移机制,载流子从半导体转移到助催化剂并且抑制了逆向流动,从空间上更有效的分离提高电子-空穴对分离和转移效率,使Co P/PCN具有的优异的循环稳定性和产氢活性。Co P/PCN的最佳产氢速率达到313.8μmol h-1 g-1,是PCN-6产氢速率的两倍。本项工作利用掺杂和助催化剂复合两个方法对块体g-C3N4优化及改良,为g-C3N4材料光催化性能的调整提供了实验和理论依据。
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