光催化分解水体系和材料研究

利用太阳光光催化分解水制取氢气是一种环境友好的再生能源制备技术.本文介绍了近年来在光催化分解水方面的一些研究工作,对目前国内外光催化分解水制取氢气和氧气的一些基本评价体系、光催化剂类别进行了整理分类,重点描述了光催化制氢原理、光催化分解水体系、光催化制氢材料类型、光催化设计等工作.对未来光催化分解水的研究工作进行了展望.     

g-C3N4/CoTiO3梯型异质结及其增强的可见光催化分解纯水制氢性能(英文)

光催化分解纯水制氢在利用太阳能制备清洁能源方面极具潜力,寻找高效的光催化剂是实现其实际应用的关键因素.高效的光催化剂需同时具备宽光谱吸收、低载流子复合率以及足够强的氧化还原能力等条件.然而,具有强氧化还原能力的光催化剂通常具有较高的导带和较低的价带位置,导致其带隙较宽,光吸收范围缩窄,因此,单一的光催化剂难以同时满足宽光谱吸收和强氧化还原能力也难以实现高效的光催化纯水分解制氢.相比之下,梯型异质结可以将两种带隙适宜、能带结构匹配的光催化剂集成在一起,在保持原本光催化剂的强氧化还原能力的同时也能充分地利用太阳光,因此梯型异质结的研究受到广泛关注.目前报道的梯型异质结光催化剂的可见光催化分解纯水制氢效率仍然很低,并且大部分的材料都是在全光谱条件下进行测试的,因此有必要开发在可见光下具有高活性的梯型异质结复合光催化剂.本文报道了一种具有可见光响应的新型g-C₃N₄/CoTiO₃复合梯型异质结光催化剂,在不添加牺牲剂的情况下,成功实现了可见光催化分解纯水制氢气.光催化测试结果表明,在可见光(λ>400 nm)照射下,当Co...     

2D/2D/2D三明治结构ZnIn2S4/g-C3N4/Ti3C2 Mxene S型异质结-肖特基结双通道电荷转移路径促进的光催化析氢(英文)

氢的能量密度高,易于储存和运输,因此,人工制氢已成为解决能源危机和环境污染问题的有效途径之一,开发可持续、温和、高效的制氢方法受到了广泛关注.在众多的制氢方法中,光催化水分解制氢已发展成为一种理想的制氢途径.然而受制于光催化剂的光响应范围窄、电荷分离效率低和活性位点少等问题,目前的光催化分解水制氢效率仍然处于一个较低水平,严重限制了其实际应用,因此,探究高效的光催化分解水材料的新体系与新机制成为解决上述问题的核心任务.ZnIn₂S₄是一种典型的具有可见光活性和化学稳定性的半导体,但由于光生电子的快速复合和严重的光腐蚀限制了其在光催化中的实际应用.本文采用界面工程,将ZnIn₂S₄,g-C₃N₄和Ti₃C₂ MXene材料耦合,设计构建了具有双异质结的2D/2D/2D三明治结构ZnIn₂S₄/g-C₃N₄/Ti₃     

可见光催化水解制氢催化剂概述

实现太阳光光催化水解制氢一直被各国学者认为是最终解决能源和环境问题的最佳途径。有效地实现可见光催化水解制氢技术的关键在于光催化材料的制备及其改性。本文简要介绍了光催化水解制氢的发展现状、存在的困难及如何提高光分解水的效率,重点评述了现阶段研究比较多的光催化材料—TiO2类光催化剂、新型碳材料光催化剂、含氮或硫的光催化材料、双光子系统光催化材料。最后,结合现有的光催化水解现状对其未来的发展趋势及今后该领域的研究重点进行了展望。     

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。     

共轭微孔聚合物光催化分解水制氢研究进展

氢能开发是未来解决能源危机和环境污染问题的理想途径之一,利用太阳能光催化分解水制氢被认为是一种极具潜力的制氢技术,而开发高效、廉价的实用性新型光催化剂是实现这一技术的关键,成为当前该领域的研究热点。目前,光催化制氢材料主要集中于无机半导体材料如金属氧化物或硫化物等体系,但这些传统的光催化材料存在可见光响应弱、制备条件苛刻及资源短缺等问题。相对于无机半导体光催化剂而言,有机半导体光催化剂具有合成方法多样、易功能化修饰、能带结构和电子结构易调控等诸多优势,使其在光催化制氢领域具有巨大的应用潜力。尤其是近年来发展起来的有机共轭微孔聚合物材料,具有传统共轭聚合物的半导体特性及高比表面积的多孔特性,成为一类新型的有机光催化剂材料,吸引了众多的研究关注。本文主要综述了近年来有机共轭微孔聚合物在光催化制氢领域取得的进展,并对有机聚合物光催化剂面临的挑战和未来发展方向做了综合性概括。     

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.     

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...     

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.     

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.     

S-Scheme异质结光催化产氢研究进展（英文）

随着不可再生能源的大量消耗,能源短缺成为人类社会面临的重大挑战。在众多新能源制备技术中,光催化分解水制氢技术只需丰富的太阳能作为驱动力就可以实现分解水制氢,且制氢条件温和、绿色无污染,被认为是解决当前能源短缺危机的有效技术之一。光催化制氢技术的核心是光催化剂,因此发展高效稳定的光催化剂至关重要。然而,单组分光催化剂由于空穴-电子复合速度快、氧化还原能力有限、太阳能利用效率低等原因,通常只能呈现出有限的光催化分解水制氢活性。为此,科研人员做了大量改性研究,其中常见的改性策略有元素掺杂、助催化剂修饰、构建异质结等。通常,元素掺杂、助催化剂修饰等改性手段可以在一定程度上提高光催化剂的制氢活性,但并不能有效解决单相光催化剂的缺陷,导致其改性效果受到制约。然而,在两个或多个半导体之间构建异质结可以有效解决上述单组分光催化剂的缺陷。相较于当前流行的传统II型异质结和Z-型异质结,S-型异质结的电荷转移机制更为合理,受到科学家们的广泛关注与应用。因此,本文首先对S-型异质结光催化体系的发展背景进行介绍,包括传统II型异质结、全固态Z-型异质结和液相Z-型异质结光催化系统。随后对S-型异质结光催化机理...     

硫化镉复合光催化剂在模拟有机污染物体系中光催化制氢研究

太阳能光催化分解水制氢是太阳能制氢的最佳途径之一.选择CdS为敏化剂,制备了可见光响应的CdS复合钛酸纳米管光催化剂.以所制备的光催化剂在不同模拟有机污染物中的光催化产氢活性进行研究,对有机物浓度、pH值等反应参数进行了考察,并对其产氢机理进行了分析.研究发现各类有机物中,甲酸溶液中产氢量活性最高.分别考察了10%、2...     

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.     

1D/2D TiO2/ZnIn2S4S型异质结光催化剂及其高效制氢性能

通过半导体催化剂利用太阳能分解水制氢被认为是解决人类面临的环境问题和能源危机的有效途径.在众多的半导体光催化剂中,TiO₂由于其良好的光化学稳定性、无毒性、丰富的形貌以及低廉的价格,在光催化制氢领域备受关注.然而TiO₂的内在缺陷,如较宽的带隙、较窄的光响应范围,光生电子空穴对的快速复合,极大限制了其太阳能制氢效率.构建异质结结构被认为是解决以上问题的一个有效方法,通过将TiO₂与另一个半导体复合可以提升催化剂对太阳光的吸收范围,也可降低光生电子空穴对的复合速率.但构建一个成功的异质结结构不仅要满足上述的要求,还需要保留异质结催化剂体系中光生电子和空穴的氧化还原能力.研究表明,S型异质结是将两个具有合适能带结构的半导体进行耦合,由于费米能级的差异,两个半导体间将发生电子转移,从而引起能带弯曲并形成内建电场.光照条件下,具有较弱还原能力的光生电子在内建电场和能带弯曲的作用下与较弱氧化能力的光生空穴复合,实现异质结催化剂体系中各个半导体内部光生载流子有效分离的目标,同时保留了异质结催化剂体系中较强氧化能力和较强还原能力的光生电子和空穴,进而实现光催化活性的提高.本文采用水热合成方法,将具有更强还原能力和可见光响应特性的半导体(ZnIn₂S₄)原位生长在TiO₂纳米纤维表面,构建了1D/2DTiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂.最优比例的TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料表现出优越的光催化制氢活性(6.03mmol/h/g),分别是纯TiO₂和纯ZnIn₂S₄制氢活性的3.7倍和2倍.TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料光催化活性的提高可以归因于紧密的异质结界面、光生载流子的有效分离、丰富的反应活性位点以及增强的光吸收能力.通过原位XPS和DFT计算研究了异质结内部光生电子的转移机制.结果表明,在光照条件下电子由TiO₂向ZnIn₂S₄迁移,遵循了S型异质结内部电子的转移机制,实现了TiO₂和ZnIn₂S₄内部光生载流子的有效分离,同时保留了具有较强还原能力的ZnIn₂S₄价带电子和较强氧化能力的TiO₂导带空穴,从而显著提升光催化制氢效率.综上,本文制备的TiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂很好地克服了TiO₂在光催化制氢领域所面临的诸多障碍,为设计和制备高效异质结光催化剂提供了新的思路.     

Au-OVs-BiOBr-P25 Z-scheme光催化剂的制备及其全分解水制氢的研究（英文）

本研究以金纳米粒子为电子介质,制备了具有氧空位的Au-OVs-BiOBr-P25 Z-scheme三元光催化剂。采用全分解水制氢方法评价了该三元光催化剂的光催化活性。Au-OVs-BiOBr-P25在紫外-可见照射下,产氢速率可达384μmol/（h·g）。UV-vis-DRS和瞬态光电流谱表明,Au-OVs-BiOBr-P25光催化活性的提高主要是由于其较宽的光响应范围和有效的载体分离。此外,全分解水是通过两电子途径发生的。该研究结果为开发更高效的光催化剂提供了新的思路。     

稀土离子掺杂对纳米TiO2光催化制氢活性的影响

采用溶胶-凝胶技术制备了纳米TiO2和一系列稀土离子掺杂的TiO2光催化剂,通过X射线衍射、透射电镜及N2吸附等技术对其进行了表征,考察了样品光催化分解水制氢的性能.结果表明,稀土离子掺杂有效抑制了TiO2粒子的生长,提高了粒子的分散性,增大了催化剂的比表面积,从而大幅度提高了其光催化分解水制氢的性能.其中,Gd3 掺杂的TiO2样品粒径最小,分散性最好,比表面积最大(是未掺杂TiO2的35倍).掺杂离子的电子构型对样品的光催化制氢活性有较大影响,具有全空电子构型的La3 和半充满电子构型的Gd3 掺杂的样品具有较高的光催化制氢活性(分别是未掺杂TiO2的3.69倍和3.72倍).     

一维硫化镉/二维二硫化钨纳米异质结用于超高活性光催化制氢

基于半导体的太阳能光催化分解水制氢技术是一种环境友好、潜力巨大的绿色氢能制造方案.常用的块体半导体材料一般具有较弱的可见光吸收、快速的光生载流子复合以及较低的光催化制氢效率等缺点.因此,设计开发具有宽光谱光吸收、稳定性好、催化活性高的太阳能光催化材料是促进光催化制氢发展的关键,也是该研究方向的挑战之一.硫化镉纳米材料是...     

可见光驱动Au/SrTiO3纳米等离子体光催化剂分解水制氢

采用水热法和光沉积法制备了Au/SrTiO_3纳米等离子体光催化剂。通过XRD、XPS、SEM、TEM、EDS和DRS等技术对光催化剂的结构、组成、形貌、粒子大小和光吸收性质等进行了表征,考察了Au/SrTiO_3纳米光催化剂在可见光照下的制氢性能。结果表明,采用水热法成功合成了SrTiO_3纳米粒子,通过负载Au纳米粒子后,由于表面等离子体共振效应,增强了其对可见光的吸收。此外,测试了不同Au负载量对SrTiO_3光催化剂在可见光照下制氢活性的影响,其中,5%Au/SrTiO_3光催化剂在可见光照下制氢活性最高,并对其光催化反应机理进行了进一步的探讨。     

CO3O4/SrTiO3光催化分解水制氢的研究

本文报道了利用掺有Co_3O_4的SrTiO_3多晶粉末进行光催化分解水制氢的研究结果。其中着重考察了光催化剂的预处理和反应液OH~-浓度等因素对催化活性的影响; 同时利用表面光电压谱(SPV)技术和ESR对光催化剂的表面光-伏性质、电子性质进行了研究。并注意从SrTiO_3的能带结构考虑, 借助于表面态的概念, 对光催化机制进行了初步的探讨。     

卤氧化铋复合物光催化剂

利用半导体光催化降解有机污染物与分解水制氢对于解决能源短缺与环境污染这一世界性难题具有重要意义,引起了人们的重视.传统的光催化剂TiO2存在可见光利用率低与光生载流子的复合率高等问题[1-3],因此寻找新型高效光催化剂的工作迫