基于CdSe/钴分子催化剂光阴极的光致产氢器件的研究

摘要

随着化石燃料不断消耗，环境污染和能源短缺问题日益突出，清洁，高效，无污染的可再生能源氢能已经成为人们研究的焦点。通过太阳能光解水制氢，能够将太阳能储存在H-H键中。目前报道的光致产氢三组分体系虽然取得了一定的进展，但存在体系中电子给体的不断消耗以及催化剂不能回收利用等问题，为解决这些问题，水还原产氢的光电极的制备仍是一个富有挑战性的课题。
　　本论文使用丝网印刷法制备了NiO薄膜电极，利用原位生长法将CdSe敏化到NiO电极表面，通过SEM、EDX、XRD和紫外光谱对其进行表征;将钴肟配合物[Co(dmgH)2(4-PO3H2)Cl](1)(dmgH2=丁二酮肟)和[Co(dmgH)2(4-CO2H-py)Cl](2)分别通过磷酸根和羧酸根负载到CdSe量子点(QD)敏化的p-NiO电极上，成功组装了CoCat./CdSeQD/NiO分子器件作为光阴极，Pt为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极的光电化学池，并研究了PEC1和PEC2电极的催化性能。结果表明:(1)在光照的条件下，偏压为0至-0.7 V（相对于Ag/AgCl）区间，线性循环伏安测试PEC1和PEC2电极都表现出较大的光响应电流密度，说明组装的分子器件能够实现催化水还原产氢。(2)在偏压为-0.4 V时，PEC2的光电流密度能够达到58μA cm-2，PEC1的光电流密度为40μA cm-2，PEC1比PEC2电极具有较好的催化效果。
　　为了能够回收光敏剂CdSe量子点和钴肟催化剂，本论文引入碳纳米管来实现这一目的。首先，优化水溶性量子点CdSe和碳纳米管体系，当碳纳米管的含量为0.5 mg时，光照9h，产氢量增加了两倍;随后，将合成的长碳链钴肟催化剂Co-C12缠绕在碳纳米管上，与水溶性量子点CdSe组装成产氢体系，光照9h和，产氢量达到了108.43μmol，将碳纳米管离心重复实验，产氢效果变化不大，证明催化剂能够稳定在碳纳米管表面，实现了催化剂的回收利用;最后，通过原位生长法和长链缠绕的方式将光敏剂CdSe和催化剂Co-C12同时置于碳纳米管上，光照12h，产氢量达到了3.19μmol。离心后再次置于相同条件下，光致产氢效果差别不大，证明了光敏剂CdSe和钴肟催化剂可以通过碳纳米管实现回收和利用。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 光致产氢三元催化体系的研究进展

1．1．1 光致产氢三元催化体系的基本构成

1．1．2 光敏剂的选择

1．1．3 催化剂的选择

1．1．4 钴肟催化剂／量子点在光致产氢体系中的研究

1．2 碳纳米管在催化产氢体系中的研究进展

1．2．1 碳纳米管简介

1．2．2 碳纳米管的性质

1．2．3 碳纳米管在光电催化方面的应用

1．3 水分解光电化学电池(PECs)的研究

1．3．1 p-型半导体电极

1．3．2 NiO光阴极的应用

1．4 本文的选题背景与依据

2 钴分子催化剂和CdSe量子点产氢光电极的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要仪器与试剂

2．2．2 FTO导电玻璃的预处理

2．2．3 NiO浆料的制备

2．2．4 NiO薄膜电极的制备

2．3 反应原料的合成

2．3．1 Pd[(C6H5)3P]4的合成

2．3．2 4-磷酸吡啶的合成

2．3．3 [Co(dmgH)(dmgH2)Cl2]的合成

2．3．4 配合物1和2的合成

2．4 CdSe量子点敏化NiO薄膜电极的制备

2．4．1 CdSe量子点的制备

2．4．2 CdSe／NiO电极的制备

2．4．3 PEC0、PEC1和PEC2光电极的制备

2．4．4 制备电极的光致催化水还原产氢性能测试

2．5 结果与讨论

2．5．1 NiO电极的形貌表征

2．5．2 NO薄膜电极EDX表征

2．5，3 CdSe／NiO薄膜电极的XRD结构表征

2．5．4 CdSe／NiO薄膜电极紫外光谱表征

2．5．5 光电化学测试

2．6 本章小结

3 CdSe／CNTs／Co-C12光致产氢体系的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要试剂和仪器

3．2．2 光致产氢实验及仪器

3．2．3 气相色谱标准曲线的建立

3．2．4 配体4-十二烷氧基吡啶(C12)的合成

3．2．5 配合物Co-C12的合成

3．2．6 水溶性CdSe量子点的制备

3．2．7 CdSe／CNTs复合材料的制备

3．2．8 CdSe／CNTs／Co-C12材料的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 水溶性CdSe／CNTs／Co-C12催化产氢体系的基本研究

3．3．2 水溶性CdSe-CNTs催化产氢体系的优化

3．3．3 水溶性CdSe-CNTs／Co-C12体系光致催化产氢的研究

3．3．4 CdSe／CNTs／Co-C12体系的研究

3．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢