合理构建Z型光催化体系实现光照下水的高效全分解

摘要

全球能源正以惊人的速度消耗，因此，发展清洁、绿色、可再生能源已迫在眉睫。利用太阳能分解水被认为是最清洁，最长远的手段来解决目前存在的问题。光催化全解水包含光还原产氢和光氧化产氧两个过程。高效全解水光催化过程依赖于两个分过程的高效实现。目前对于光催化产氢催化剂的研究很多，产氢效率也达到了很高的水平。然而，光催化产氧过程一直停留在较低的水平，这就成为制约光催化全解水的瓶颈[1-3]。对其分析原因一般认为，产氧过程是一个四电子过程，电子传递过程较为复杂。另一方面氧在材料表面的超电势远高于氢超电势。氧原子在材料表面的形成需要较高的活化能。这就导致光催化产氧一直处于较低迷的处境。 针对目前产氧存在的问题，本文以WO3为产氧催化剂，通过控制不同的条件，结合催化剂结晶度与氧缺陷的协同作用，取得了目前所知最高的产氧效果。并在此基础上构建Z型体系实现了全分解水。 第一部分,我们以钨酸钠为钨源通过一步水热法合成了纳米片状WO3。通过控制不同的水热温度及煅烧温度合成具有不同氧缺陷的催化剂，通过制造缺陷能级，调整WO3的价带位置，减小了反应的吉布斯自由能。另一方面通过煅烧增加了材料的结晶度，有效的提高了催化剂的光生电子的传递速度，并且结合结晶度和氧缺陷的协同作用，使得WO3具有较高产氧效果。 第二部分,在具有较好产氧的基础上，结合合适的产氢催化剂Zn0.5Cd0.5S以多壁碳纳米管为载体，构建Z型体系实现全分解水。由于多壁碳纳米管（MWCNTs）具有特殊的孔径结构，较大的比表面积，较高的化学稳定性和良好的电子导电性，因此其作为光催化剂的载体引到了极大的关注。我们将两种催化剂负载在碳纳米管上，利用碳纳米管优异的物理化学性能，有效的提高了其光生电子和空穴产生和分离效率，在全光下实现了全分解水。 第三部分,催化剂想要有良好的性能，催化剂与水的良好接触是其反应的基础。然而三氧化钨在水中的溶解度较小，这就成为限制其光催化性能的又一因素。在实验中我们将三氧化钨酸化，酸化处理增加了其亲水性，从而催化剂与水有更好的接触，催化剂反应更充分，从而光催化效率得以提高。另一方面，我们在水热过程中加入微量的锰元素，锰元素具有多种价态，在光的激发下可能会产生新的电子跃迁能级，从而改变电子跃迁轨迹，提高光催化性能。