基于金属—有机骨架UiO-66构筑复合型光催化材料及其可见光光催化制氢性能

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能源短缺与环境污染是当今社会可持续发展所要面临的两大突出问题,因此利用太阳能转化制取氢气来解决能源危机和环境污染问题是具有应用前景的研究课题。氢气是一类燃烧值大,易储存运输的清洁绿色能源。研究者们在利用太阳能分解水制取氢气的过程中,发现光催化材料的设计合成及其催化性能与效率是最具核心的问题。金属-有机骨架(MOFs)材料在近十几年中已经发展成为一种新型的光催化材料,并且得到了广泛关注。金属-有机骨架是一类由金属离子中心构成的多孔固体材料,具有可设计结构、可调控孔道及超高的比表面积等优势,因此可以通过简单的物理或化学方法将其与其它化合物复合,设计合成出基于金属-有机骨架材料构筑的新型高效光催化剂。本论文主要是基于一种MOFs材料(UiO-66)来构筑复合型光催化材料,并对其可见光光催化制氢性能进行研究与评价,具体研究内容如下:1.全固态电子介体UiO-66-NH2@Au@CdS的Z-Scheme体系的光催化制氢性能研究:首先采用水热法制备出具有八面体形貌的UiO-66-NH2,然后通过双溶剂法将Au纳米颗粒负载在其表面,最后再通过水热法将CdS包裹Au纳米颗粒而在MOFs表面形成一种“核-壳”结构的三相全固态Z型复合光催化剂。采用XRD、IR、UV-Vis、SEM、TEM、PL等分析测试技术对制备出的UiO-66-NH2@Au@CdS复合型催化剂进行形貌、结构和性质的表征。以0.1 M的L-抗坏血酸作为电子牺牲剂,Pt作为助催化剂,检测了 UiO-66-NH2@Au@CdS复合型光催化材料在可见光(λ≥420 nm)照射下分解水制取氢气的活性。实验结果表明,制备出的UiO-66-NH2@Au@CdS复合型光催化剂具有很好的制氢活性和稳定性,主要原因是由于Au纳米粒子在MOFs和半导体CdS之间充当了电子介体的作用,使得UiO-66-NH2导带上的电子能够通过Au纳米颗粒传递到半导体CdS的价带上与其空穴快速复合,从而使得光生电子主要集中在半导体CdS的导带上,而空穴则主要留在了 UiO-66-NH2的价带上,这样不仅有效的阻止了光生电子-空穴对的复合,同时也大大提高了光生电子的还原能力。2.染料敏化的UiO-66/Ni2P体系光催化制氢性能的研究:采用水热和低温磷化两步法将不含贵金属元素的Ni2P纳米粒子负载于八面体MOFs UiO-66的表面,得到的UiO-66/Ni2P复合光催化材料再在染料藻红B(ErB)的敏化下进行可见光光催化制取氢气。实验考察了不同的Ni2P负载量对体系的制氢效果影响,结果发现最佳的制氢效率是在负载了 0.69 wt%的Ni2P后,其制氢速率达到了 65μmol h-1,是高于不含Ni2P助催化剂体系的19倍。这主要是由于ErB染料上的光生电子可以有效的转移至UiO-66上(由于ErB与UiO-66分子中都含有苯环而具有强相互作用),进而再传递到其表面的助催化剂Ni2P纳米颗粒上进行还原质子产生氢气。实验结果表明,Ni2P纳米粒子作为一种低成本且有效的助催化剂负载于UiO-66表面代替了贵金属助催化剂,对提高MOFs材料的光催化分解水制氢具有很大的潜能。
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