新型二维碳材料——石墨烯在光催化分解水制氢中的研究进展

能源危机和日益严重的环境污染问题是目前人类生存和发展面临的严峻挑战,在化石能源日益枯竭的今天,清洁太阳能的转化、储存和利用成为当前研究的热点.利用太阳能光催化分解水制氢,并将太阳能以氢能的形式储存是解决能源问题最理想     

太阳能光催化分解水制氢※

利用太阳能光催化分解水制氢是解决能源环境问题并实现太阳能有效转化和储存最有前途的技术之一, 这一“圣杯”式反应经过几十年不懈努力取得了诸多重要研究进展. 本文将综述光催化分解水制氢体系的基本概念、活性测试方法与注意事项、光催化材料种类等; 并从光催化分解水制氢的光吸收、光生电荷分离和表面催化反应等基本过程和关键科学问题的角度总结其重要研究进展, 最后对于太阳能光催化分解水制氢的挑战和潜在的发展方向进行分析和展望. 希望通过本综述的简要介绍能让刚从事光催化分解水制氢研究的青年科技人员清晰地了解掌握该领域的一些基本概念、操作规范、研究总体进展和现状等.     

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径

能源是人类生存和发展的物质基础,太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一,其开发利用受到了世界范围内的广泛关注.通过光催化分解水制氢将太阳能以化学能的形式储存起来不仅能利用太阳能制取高燃烧值的氢能,同时氢能可与CO2综合利用结合起来,在减少碳排放的同时,生成高附加值的化学品,实现碳氢资源的优化利用.光催化分解水制氢在过去的几年里取得了长足的进步,本综述从三种研究广泛的太阳能光催化分解水制氢途径(即光催化、光电催化以及光伏-光电耦合途径)入手,分别简要介绍了太阳能分解水制氢在近几年取得的最新研究进展.利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大,被认为是未来应用最可行的方式之一,但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo光催化剂其太阳能到氢能(STH)转化效率已超过了1.0%,相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃,让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等,均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题;光电催化分解水在过去2–3年内发展迅速,在一些典型的光阳极半导体材料(如BiVO4和Ta3N5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta3N5光阳极的研究中,通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略,光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升,光电流大小甚至可接近Ta3N5材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破,该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外,光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注;光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高,在多个体系上已超过10%以上,最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合,其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求,但是光伏电池的成本(尤其是多结GaAs太阳电池)极大限制了其大面积规模化应用,同时还要考虑电催化剂的成本和效率等,光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是,光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用,如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.总之,太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展,太阳能制氢效率得到了大幅度提升,也是目前世界范围内关注的研究热点之一,不仅具有强的潜在工业应用背景,更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域,在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上,不久的将来,有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.     

光催化CO_2转化为碳氢燃料体系的综述

传统化石能源燃烧产生CO2引起的地球变暖和能源短缺已经成为一个严重的全球性问题.利用太阳光和光催化材料将CO2还原为碳氢燃料,不仅可以减少空气中CO2浓度,降低温室效应的影响,还可以提供碳氢燃料,缓解能源短缺问题,因此日益受到各国科学家的高度关注.本文综述了光催化还原CO2为碳氢燃料的研究进展,介绍了光催化还原CO2的反应机理,并对现阶段报道的光催化还原CO2材料体系进行了整理和分类,包括TiO2光催化材料,ABO3型钙钛矿光催化材料,尖晶石型光催化材料,掺杂型光催化材料,复合光催化材料,V、W、Ge、Ga基光催化材料及石墨烯基光催化材料.评述了各种材料体系的特点及光催化性能的一些影响因素.最后对光催化还原CO2的研究前景进行了展望.     

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径（英文）

能源是人类生存和发展的物质基础,太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一,其开发利用受到了世界范围内的广泛关注.通过光催化分解水制氢将太阳能以化学能的形式储存起来不仅能利用太阳能制取高燃烧值的氢能,同时氢能可与CO_2综合利用结合起来,在减少碳排放的同时,生成高附加值的化学品,实现碳氢资源的优化利用.光催化分解水制氢在过去的几年里取得了长足的进步,本综述从三种研究广泛的太阳能光催化分解水制氢途径(即光催化、光电催化以及光伏-光电耦合途径)入手,分别简要介绍了太阳能分解水制氢在近几年取得的最新研究进展.利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大,被认为是未来应用最可行的方式之一,但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO_3:La,Rh/Au/BiVO_4:Mo光催化剂其太阳能到氢能(STH)转化效率已超过了1.0%,相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃,让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等,均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题;光电催化分解水在过去2–3年内发展迅速,在一些典型的光阳极半导体材料(如BiVO_4和Ta_3N_5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta_3N_5光阳极的研究中,通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略,光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升,光电流大小甚至可接近Ta3N5材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破,该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外,光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注;光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高,在多个体系上已超过10%以上,最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合,其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求,但是光伏电池的成本(尤其是多结GaAs太阳电池)极大限制了其大面积规模化应用,同时还要考虑电催化剂的成本和效率等,光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是,光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用,如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.总之,太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展,太阳能制氢效率得到了大幅度提升,也是目前世界范围内关注的研究热点之一,不仅具有强的潜在工业应用背景,更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域,在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上,不久的将来,有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.     

光催化分解水制氢反应中助催化剂的作用及机理（英文）

近年来,随着一次能源过度消耗所带来的能源和环境问题日益突出,开发廉价、可持续的清洁能源备受关注.光催化分解水制氢可利用太阳能普遍率高和几乎免费等特点制取燃烧热值高、燃烧产物无污染的氢气能源.自从1972年日本的Fujishima教授和Honda教授首次发现TiO₂单晶电极光催化分解水可以产生氢气以来,光催化制氢被认为是实现可持续制氢最有潜力的方法之一.有效地将太阳能转换为化学能的关键是设计高效的电荷分离和运输结构.然而,现有的大多数半导体光催化剂因缺少活性位点、光生载流子易复合等缺点而无法达到较高的转换效率.因此,如何提高半导体光催化产氢的转换效率是现阶段面对的重要问题.在众多解决方法中,助催化剂的引入可以为光催化制氢反应增加活性位点,促进光生载流子的有效分离,进而有效地提高半导体光催化产氢速率.本文总结了多种不同类型的助催化剂应用于光催化产氢研究的最新进展,详细讨论了助催化剂在增强光吸收、提供活性位点、增加催化剂稳定性和促进电荷分离等方面的作用,阐明了助催化剂在光催化分解水制氢中的反应机理,同时还提出了光催化制氢的未来研究和预测.本文将助催化剂分为以下几种类别进...     

MgO和Au纳米颗粒共修饰g-C3N4光催化剂增强CO2-H2O光催化反应过程

光催化CO2还原制备太阳燃料被广泛关注并逐渐形成研究热点,该过程利用可再生清洁能源太阳能,在低温低压的温和条件下驱动CO2还原制备CO、CH4、CH3OH等燃料气体或者高附加值的碳氢化合物.半导体光催化剂能够将清洁的太阳能有效地转化为化学能,其中,g-C3N4由于其成本低、毒性低、稳定性高和带隙窄等优点,被广泛应用于光...     

光电催化用于高附加值化学品合成

化石燃料的过度消耗导致了能源短缺和环境破坏,因此可再生清洁能源的开发已成为当务之急.在众多可再生能源中,太阳能因其环境友好,储量巨大且分布广泛等特点而引起了研究者们的兴趣.光电催化(PEC)是一种能够将可再生太阳能转化为化学能的方法,而最受关注的是通过PEC水分解来获得高附加值的氢能源.欲使PEC系统实现水分解,理论上...     

钴基非均相催化剂在光催化水分解、二氧化碳还原和氮还原的研究进展与展望（英文）

利用大自然丰富的太阳能驱动水、二氧化碳或氮气转化为高附加值燃料(如H₂, CO, CH₄, CH₃OH或NH₃等),实现人工光合成,将储量丰富的太阳能转化为可利用的清洁化学能源,被认为是解决能源短缺和环境问题的关键技术之一,能够有效缓解能源危机和全球变暖,极具应用前景.因此,各种类型的光催化剂相继被开发出来,以满足光催化的需求.其中钴基多相催化剂是最有前途的光催化剂之一,它可以通过扩大光吸收范围、促进电荷分离、提供活性位点和降低反应能垒等途径有效提高光催化效率,为太阳能燃料转化利用开辟广阔的前景.本文首先介绍了光催化水分解、CO₂还原和N₂还原的基本原理.然后,总结了基于钴基催化剂的改性策略,包括形貌、晶面、结晶度、掺杂和表面修饰,重点讨论了钴基多相材料在水分解(产氢、产氧和全解水)、二氧化碳还原以及氮还原领域的光催化进展.最后,对钴基光催化剂当前面临的挑战和未来的发展作了展望和总结.提出了钴基光催化剂未来的一些研究方向.包括:(1)基于材料光催化体系的设...     

钛基钙钛矿型光催化材料的研究进展

由于化石能源的快速消耗以及化石能源在燃烧过程中会释放有害气体,所以寻找新的、干净的能源体系迫在眉睫。氢能具有高燃烧值和高效率的优点,成为了目前最有前景的新能源之一,而利用太阳能进行光催化产氢是最符合"绿色化学"的方法之一。根据目前所探究的光催化剂,钙钛矿型光催化剂因其多样性、特征性以及可变性成为了热门的研究体系。钛基钙钛矿材料及其衍生物表现出了许多优异的光催化活性,是太阳能光催化研究领域的研究热点。本文详细综述了钛基钙钛矿材料及其衍生物的结构、改性方式以及在光催化分解水领域的研究进展。     

二维平面异质结构实现光生载流子快速分离和传输

<正>随着全球经济和技术的快速发展,传统的化石能源的过度消耗引起了严重的环境污染和能源短缺等世界性问题,开发新型能源技术已成为当前人类发展所面临的重要目标~1。利用光催化水分解把太阳能转变为氢能的方式被普遍认为是解决人类未来能源的有效途径之一,这亟需高效、稳定和廉价的太阳能水分解制氢催化剂材料。然而,在体相材料的光催化水分解过程中,长的迁移距离、缓慢的迁移速率使得大量光生电子-空穴在到达表面活性位点前就发生复合,严重制约了     

光催化制氢的助催化剂

随着能源和环境问题的日益突出,构建可持续发展、绿色环保和新型高效的能源体系,成为当今世界关注的焦点.由于太阳能清洁、低成本和环境友好等特性,利用太阳能光催化制氢成为解决能源问题的有效策略.单一的半导体光催化剂由于光的利用率低、电荷空穴易复合和缺少充足的活性位点等缺点,很难满足光催化的所有要求,常引入助催化剂来解决这一问...     

一种锚定精细金纳米颗粒的硫醚功能化芘基共价有机框架用于高效光催化制氢（英文）

氢能(H₂)因其高能量密度而被认为是一种有望解决全球能源危机,极具应用前景的可再生能源.光催化分解水制氢技术在能源研究领域受到广泛的关注,国内外研究者在探索和开发高效光驱动制氢的光催化剂方面做出了巨大努力.近年来,共价有机框架(COFs)因结晶性高、比表面积大和结构可设计性强等特性,而成为最具潜力的光催化有机多孔材料之一,并广泛应用于光催化分解水制氢.此外,由强共价键构筑而成的COFs,尤其是酰腙链接的COFs,通常展现出较好的结构稳定性,这有利于催化剂在光催化水分解过程中保持稳定的结构.然而,大多数纯COFs由于表面电荷传输缓慢以及光生载流子容易复合,使其光催化分解水性能不理想.如何加快电荷传输,促进光生载流子分离,进而提高COFs的光催化效率成为关键问题.本文制备了一种新型硫醚功能化的芘基COF(S4-COF),通过原位光沉积技术将精细金纳米颗粒(Au NPs)负载于S₄-COF上,制得Au@S₄-COF复合光催化剂,并用于光催化分解水制氢.通过傅里叶变换红外光谱、核磁共振波谱、X射线多晶衍射、扫描电子显微镜、透射电...     

半导体光解水制氢研究:现状、挑战及展望

通过半导体光催化分解水反应实现太阳能向清洁能源氢能的转化,是解决人类面临的能源和环境危机的终极途径之一。该过程的关键是开发宽光谱响应、高效的光催化剂,到目前为止,调控能带结构、制备活性晶面、构建异质结构、负载助催化剂等诸多方法被广泛应用于扩展半导体材料的吸光范围和提高其光催化活性。本文介绍了半导体光解水制氢的基本原理,并综述了该领域的研究进展,重点关注提高半导体光催化活性的方法及其所面临的挑战和瓶颈问题,并结合相关课题组的研究工作提出可能的应对策略。     

半导体光解水制氢研究:现状、挑战及展望

通过半导体光催化分解水反应实现太阳能向清洁能源氢能的转化,是解决人类面临的能源和环境危机的终极途径之一。该过程的关键是开发宽光谱响应、高效的光催化剂,到目前为止,调控能带结构、制备活性晶面、构建异质结构、负载助催化剂等诸多方法被广泛应用于扩展半导体材料的吸光范围和提高其光催化活性。本文介绍了半导体光解水制氢的基本原理,并综述了该领域的研究进展,重点关注提高半导体光催化活性的方法及其所面临的挑战和瓶颈问题,并结合相关课题组的研究工作提出可能的应对策略。     

太阳能光催化制氢研究进展

随着人类社会的快速发展和传统能源的急剧消耗,能源紧缺和环境污染已经成为制约人类社会可持续发展的重要因素,构建清洁的环境友好的可再生新能源体系是当前各国高度关注的焦点和重大战略.在众多绿色环保、可持续新能源选项中,半导体光催化制氢因其可利用清洁可再生的太阳能制取高效清洁氢能,有望完全解决能源紧缺和环境污染问题,成为最有应用前景的技术之一. 本文通过概述半导体光催化制氢原理、半导体光电化学及光电稳定性、半导体光催化制氢效率,重点介绍半导体光催化剂、光生电荷分离及光催化制氢体系等方面若干新进展,并对太阳能光催化制氢技术的发展加以评述和展望.     

光催化全解水助催化剂的设计与构建

能源和环境危机是当今社会面临的两大关键课题,利用太阳光驱动化学反应、将太阳能转化为化学能是解决上述问题的重要措施。通过光催化分解水是直接利用太阳能生产氢燃料的有效策略。光催化水分解过程可以分为三个基元步骤:光吸收、电荷分离与迁移、以及表面氧化还原反应。助催化剂可有效提高电荷分离效率、提供反应活性位点并抑制催化剂光腐蚀的发生,进而提高水分解效率。助催化剂也可以通过活化水分子以提高表面氧化还原动力学,进而提升整体光催化反应的太阳能转换效率。本文综述了助催化剂在光催化反应中的重要作用以及目前常用的助催化剂类型,详细说明了在光催化全解水过程中双助催化剂体系的构建及作用机理,并根据限制全解水的关键因素提出了新型助催化剂的设计策略。     

层状双金属氢氧化物(LDH)基光催化剂在太阳能燃料生产领域的研究进展

半导体光催化剂吸收太阳光分解水制氢或还原CO2,实现了太阳能燃料生产,不仅可获取清洁、可再生、高热值的太阳能燃料,还能有效减少CO2的排放.层状双金属氢氧化物(LDHs)是一类基于水镁石结构的二维阴离子黏土矿物材料,具有独特的层状结构、主体层金属阳离子可调性、客体阴离子可交换、多维结构和可分层等优势,在CO2还原、光电催化水产氧及光解水制氢等领域研究广泛,有望成为新型半导体光催化材料.但单纯LDHs载流子迁移率低和电子空穴复合率高,在太阳辐射下的量子效率非常低.因此,研究人员采用缺陷控制、设计多维结构或偶联不同类型半导体构建异质结等方法,获得高能量转换效率的LDH基光催化剂.本文首先总结了传统光催化剂的优缺点及其能带分布,阐述了LDHs的六个主要方面特性,包括主体层板金属阳离子可调性、客体阴离子插层、热分解、记忆效应、多维结构特征及分层,进而提出LDH基光催化材料在增强反应物吸附活化、扩宽吸光范围、抑制光生载流子与空穴复合三个方面的改性策略.然后,分析了LDH光催化剂的光催化水解产氢反应机理,并从材料结构与性能的关联,概述LDH基复合光催化剂(金属硫化物LDH复合材料、金属氧化物LDH复合材料、石墨相氮化碳LDH复合材料)、三元LDH基光催化剂及混合金属氧化物光催化剂在水分解制氢领域的研究进展.最后,分析了LDH光催化还原CO2反应机理,归纳石墨相氮化碳复合LDH材料、MgAl-LDH基复合光催化剂、CuZn-LDH光催化剂及其它半导体系列LDH的结构特点和在还原CO2领域的研究进展.尽管LDH基光催化剂研究取得了一定的进展,但是对LDH的结构调控及其光催化机理仍需进一步探索,光催化活性位点、不同组分之间的协同作用和界面反应机理还有待进一步研究.未来LDH在光催化领域的应用可以微观尺度调控和宏观性能为导向设计,进一步研究不同组分的协同效应、界面反应及材料组成对物理化学性质的影响,不断完善LDH基光催化剂的理论系统和开发其应用潜能.     

解决能源问题的新途径--光解水制氢的研究

面对日益枯竭的能源危机,氢能是一种洁净、最有前景的替代能源。目前在各种制氢的方法中光催化分解水制氢的研究最多,光解水过程中催化剂最关键,本文对利用太阳能光解水的途径、提高光催化反应效率以及光催化剂的开发研究进行了综述。     

高压下TiSi2可见光光热催化分解水制氢的研究

系统地研究了高压下一系列TiSi2催化剂的可见光光热催化分解水制氢行为.研究结果表明,压力增加显著提高了TiSi2催化剂光催化分解水制氢速率.添加NaOH和Na2CO3有利于水分解制氢的反应进行,在一定范围内,NaOH和Na2CO3浓度增加,放氢速率增加.研究还发现,担载贵金属Pt或Ru对反应速率没有显著影响.本文还采...