过渡金属钒基助催化剂在光催化制氢中的应用研究

• 作 者: 田磊
• 机 构: 北方民族大学
• 出 处: 北方民族大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 光解水制氢

化石燃料消耗导致的环境污染以及能源短缺问题使得探索高效、环保、可持续的能源刻不容缓。氢能作为一种可替代化石燃料的新能源引起了人们的广泛关注。光催化技术可利用半导体光催化剂或染料敏化体系在太阳光照射下将水分解为H2和O2，是一种很有前途的将太阳能转化为氢能的技术。助催化剂在光催化产氢反应中起着重要的作用，它不仅可以加速电荷的分离和转移，延缓电子-空穴对的复合，而且可以提供更多的活性位点，降低产氢反应过电位。在众多的助催化剂中，Pt等贵金属由于高的产氢活性而被广泛应用。然而，考虑到贵金属的高成本和稀缺性，探索一种高效、稳定的非贵金属助催化剂来取代贵金属势在必行。过渡金属碳化物、氮化物和硼化物等材料具有良好的金属导电性，不仅有利于快速的电子传递，而且可以提供类Pt的产氢活性位点，另外还具有较高的催化活性、选择性、稳定性和抗毒性，作为非贵金属助催化剂已被广泛应用于光催化产氢反应。本文以新型过渡金属钒基助催化剂(包括碳化钒、氮化钒和二硼化钒)在光催化分解水制氢中的应用为研究内容，构建了新型、高效的染料敏化和半导体光催化制氢体系，并阐释了过渡金属碳化钒、氮化钒和二硼化钒在光催化分解水制氢体系中的作用机理，为探究新型、高效的产氢助催化剂提供了思路，取得了以下创新性成果：
　　(1)在可见光照射下(λ≥420nm)，以碳化钒(VC)作为产氢助催化剂、ErB染料作为光敏剂、三乙醇胺(TEOA)作为电子供体构建了染料敏化三组分体系。研究结果表明，VC作为一种有效的产氢助催化剂在可见光照射下可以催化分子体系中的产氢反应。另外，考虑到有机染料光敏剂只能吸收特定波长或狭窄区域的入射光，而且与半导体相比稳定性不足，在产氢过程中会被快速降解，因此又研究了VC在可见光照射下的半导体体系中的光催化产氢性能。光催化产氢实验结果表明，当VC与半导体硫化镉(CdS)耦合时，CdS/VC复合光催化剂的产氢活性较单一的CdS提高了近12倍，量子效率最高可达到8.7%。电化学和光电化学测试结果表明，VC是一种高效的电催化剂，不仅可以降低H+/H2O还原为氢气的过电位，而且可以有效促进光生电子-空穴对的分离，从而高效地提高CdS/VC的光催化产氢性能。
　　(2)通过简单的溶液混合法将氮化钒(VN)与半导体CdS结合，构建了高效的CdS/VN复合光催化剂，以乳酸为牺牲试剂，研究了该复合催化剂在可见光照射下的光催化产氢性能。光催化实验结果表明，高效的CdS/VN复合光催化剂表现出比CdS更优异的光催化产氢活性，约为单纯CdS活性的6.7倍，并且在30h稳定性测试后仍能保持良好的产氢稳定性。机理的研究表明，VN作为一种助催化剂不仅能促进界面电荷从CdS转移到VN，从而增强光生电荷分离效率，而且过电位低，可以有效地催化产氢，这可能是光催化活性提高的主要原因。
　　(3)将二硼化钒(VB2)作为一种产氢助催化剂，CdS作为光敏剂，构建了CdS/VB2复合光催化剂，并且探讨了其在可见光照射下的光催化产氢性能。研究结果表明，CdS/VB2复合光催化剂在10vol.%乳酸(LA)水溶液中表现出的光催化产氢活性约为单纯CdS的11倍。荧光分析和光电化学测试结果表明，CdS/VB2复合光催化剂提高的光催化产氢活性可以归因于VB2具有良好的助催化作用，它不仅可以促进CdS的电荷分离，而且可以加快产氢反应动力学，从而实现高效的光催化产氢反应。