【摘 要】
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工业化城镇化步伐的加快使得全球对能源的需求激增、环境污染日益严重。而光催化技术清洁安全,在催化剂作用下可实现太阳能到化学能的转化,其中光解水和光催化还原二氧化碳可以分别生成氢气和一氧化碳等清洁燃料,能有效缓解全球能源危机和环境问题。因此,许多科研人员致力于半导体催化剂的改性和新型光催化材料的开发,构建高效的光催化剂对提升光催化性能至关重要。近年来,金属有机框架(Metal-Organic Fram
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工业化城镇化步伐的加快使得全球对能源的需求激增、环境污染日益严重。而光催化技术清洁安全,在催化剂作用下可实现太阳能到化学能的转化,其中光解水和光催化还原二氧化碳可以分别生成氢气和一氧化碳等清洁燃料,能有效缓解全球能源危机和环境问题。因此,许多科研人员致力于半导体催化剂的改性和新型光催化材料的开发,构建高效的光催化剂对提升光催化性能至关重要。近年来,金属有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)材料因其孔隙率高、比表面积大、孔道尺寸可调、结构丰富、易于修饰和调控等优点,成为目前光催化领域的研究热点。本论文为克服传统半导体催化剂太阳光利用率低、电子空穴易复合、催化效率低等缺点,选用两种常见的MOFs:NH2-UiO-66和ZIF-8为原料,合成了基于MOFs的复合催化剂,成功地拓宽了可见光吸收范围,加快了界面处电子转移速率,有效抑制光生电子-空穴的复合,提高了光催化性能。本论文主要研究内容如下:1、通过溶剂热法,将无水四氯化锆和2-氨基对苯二甲酸分散在N,N-二甲基甲酰胺中,以乙酸为调节剂,合成了尺寸均一,具有八面体形貌的NH2-UiO-66。将Cd S纳米颗粒(Nanoparticles,NPs)通过原位生长法均匀修饰在NH2-UiO-66表面,得到Cd S/NH2-UiO-66复合材料,并研究了不同Cd S NPs负载量对催化剂性能的影响。光催化还原CO2实验结果表明,可见光照射下,复合后的材料催化性能均有了明显的提高。当Cd S负载量为40%时,反应6 h后,生成的CO产量最高,可达105.41mmol·g-1。复合材料中,NH2-UiO-66的高比表面积促进了Cd S NPs的分散,为反应提供了更多的活性位点;Cd S NPs的存在拓宽了MOF可见光吸收范围,提高了对可见光的利用率;NH2-UiO-66/Cd S异质结的形成,加快了界面处的电子传递,降低了空穴和电子的结合速率,从而获得了更为优异的光催化还原CO2性能。2、室温条件下,使用乙酸锌和2-甲基咪唑在水中合成了尺寸均一,具有多面体形貌的ZIF-8。通过高温煅烧得到ZIF-8衍生而来的C掺杂Zn O材料,记为C-Zn O。将C-Zn O进一步硫化,构建ZnS/C-ZnO异质结构。通过控制硫化温度,得到了不同Zn S含量的复合催化剂,并研究了其对催化剂性能的影响。光解水实验结果表明,可见光照射下,ZnS/C-ZnO异质结催化剂的催化性能较单一的C-Zn O和Zn S有了明显的增强,100℃硫化后得到的复合材料具有最好的产氢性能,H2产量可达345.8mmol·g-1·h-1。与ZIF-8和纯Zn O相比,C-Zn O在可见光区有很好的吸收。ZnS/C-ZnO异质结的形成增强了协同作用,提升了界面处的电荷转移速率,并且减小了带隙,增强了对可见光的利用率,从而提升了光解水产氢性能。
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