摘 要

半导体光催化技术是将太阳能转化为氢能，以解决目前全球化石燃料的枯竭问题的良好应对方法之一。但是，在光催化系统中，传统的贵金属助催化剂(如Au, Pd, Pt, Ag )价格较为高昂，阻碍了光催化技术的广泛应用。通过不同材料相复合形成复合材料是解决光催化技术成本较高，以及单一催化剂普遍存在着的吸收光响应范围较窄、光生电子-空穴复合率较高等问题的有效方法之一。本研究在脲素热缩聚得到石墨相氮化碳g-C₃N₄上原位生长CeO₂纳米颗粒，成功制备了g-C₃N₄和不同质量比CeO₂纳米颗粒的复合材料，CeO₂的复合改善了g-C₃N₄半导体表面的能级结构，提高了光生电子和空穴对的分离效率和传输性质。实验制备的g-C₃N₄/CeO₂复合材料成功将g-C₃N₄的光催化产氢性能提高了2.6倍，展现出将来代替贵金属助催化剂的潜力。

关键词: 光催化；石墨相氮化碳(g-C₃N₄,)；CeO₂纳米颗粒；复合材料

Abstract

Semiconductor photocatalytic technology is one of the favorable ways to solve the exhaustion of global fossil fuels by converting solar energy to hydrogen energy.However, in the photocatalytic system, the traditional noble metal co-catalyst (such as Au, Pd, Pt, Ag) is relatively expensive, which hinders the wide application of photocatalytic technology.The formation of composite materials by compounding of different materials is one of the effective methods to solve the problems of high cost of photocatalytic technology and the widespread existence of a single catalyst, such as narrow absorption light response range and high photogenerated electron-hole recombination rate.In this study, CeO₂ nanoparticles were grown in-situ on graphite carbonitride g-C₃N₄ by thermal condensation of urea, and the composites of g-C₃N₄ and CeO₂ nanoparticles with different mass ratios were successfully prepared. The recombination of CeO₂ improves the energy level structure of the surface of the g-C₃N₄ semiconductor, and improves the separation efficiency and transport properties of photogenerated electrons and hole pairs.The experimentally prepared g-C₃N₄/CeO₂ composites successfully improved the photocatalytic hydrogen production performance of g-C₃N₄ by 2.6 times, demonstrating the potential to replace precious metal promoters in the future.

Keywords: Photocatalytic; g-C₃N₄; CeO₂ nanoparticles; Composite; Materials

目 录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2半导体光催化产氢机理 2

1.2.1本征半导体光催化产氢机理 2

1.2.2半导体异质结光催化产氢机理 3

1.3影响半导体光催化的因素 4

1.3.1催化剂自身性质 4

1.3.2反应条件影响 5

1.4聚合物半导体光催化材料石墨相氮化碳(g-C₃N₄) 5

1.4.1石墨相氮化碳(g-C₃N₄)结构 5

1.4.2 g-C₃N₄制备方法 6

1.5 g-C3N4改性方法 7

1.5.1 g-C₃N₄结构优化 7

1.5.2 g-C₃N₄掺杂改性 7

1.5.3 g-C₃N₄半导体复合异质结 8

1.6本文研究思路及创新点 10

1.6.1研究思路 10

1.6.2创新点 10

第二章 实验设计 11

2.1实验内容 11

2.1.1样品制备及性能的研究 11

2.1.2光催化产氢性能的研究 11

2.2试剂与仪器 11

2.2.1实验所用试剂 11

2.2.2实验所用仪器 12

2.3实验过程 13

2.3.1石墨相氮化碳(g-C₃N₄)的制备 13

2.3.2 g-C₃N₄/CeO₂复合样品的制备 13

2.4样品测试与表征 14

2.4.1 X射线衍射分析(XRD) 14

2.4.2扫描电子显微镜分析(SEM) 15

2.4.3透射电子显微镜分析(TEM) 15

2.4.4紫外可见漫反射吸收光谱(UV-Vis) 15

2.4.5傅里叶红外光谱分析(FT-IR) 15

2.4.6氮气吸附-脱附等温线(BET) 15

2.4.7电化学测试 15

2.4.8光催化产氢性能测试 15

第三章 实验结果分析与讨论 17

3.1样品表面形貌分析 17

3.2样品成分分析 18

3.3光吸收性能 21

3.4孔径及比表面积分析 21

3.5电化学性能分析 23

3.6全光谱光催化产氢活性 24

3.7光催化产氢活性增强机理 25

第四章 结论 27

参考文献 28

致 谢 30

第一章 绪论

1.1引言

人类的科技水平高速发展带来了社会文化和工业水平繁荣景象。但是工业化快速扩大消耗了大量化石燃料资源例如石油和煤天然气等，由于化石燃料的再生时间需要数百万甚至数千万年，已经与人类社会工业快速发展的大趋势背道相驰。不仅如此使用这些化石燃料的过程之中会所产生许多危害地球环境的有害和温室气体，如SO₂、NO、CO、CO₂等，成为了雾霾天气及酸雨等危害人类生存环境的主要原因。作为目前人类所依赖的主要能源，化石燃料的枯竭和其造成环境恶化已成为制约世界各国经济和社会进一步发展的严重瓶颈。为了更好的支持人类科技和社会的发展寻找可再生和清洁的替代资源成为补充并最终取代我们对化石燃料的依赖的必要工作。

在目前人类已经开发的可再生能源之中，太阳能由于其体量大、辐射能量强、利用过程不产生污染，是一种十分理想的能源。太阳作为地球能量的最主要来源，其每年辐射到地球表面的能量可以达到4*10¹⁵ MW，换算为3.6*10⁵吨标准煤当量，约为全球年能耗的一千多倍^[1]。太阳能的利用包括3种方式：光热转换、光电转换和光催化^[2]。目前光催化的应用包括三个方面，一是光催化产氢、二是光催化有机污染物的分解、三为光催化合成有机物。而通过半导体光催化将太阳能转换为氢能，是从根本解决化石燃料的枯竭和其造成环境恶化的理想途径之一。