【摘 要】
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光催化剂制氢效果由光催化剂的活性所决定,通过对光催化剂内部的光吸收、热输运特性进行调控以提升光催化活性的设计理念备受关注。目前光催化剂光吸收特性分析主要是基于几何光学,无法准确分析具有微纳形貌下的光催化剂内部光吸收特性,需要发展更加可靠的光吸收特性分析方法;光催化材料的光学常数也是影响其光吸收特性的重要因素之一,对未知光催化材料光学常数的预测和对已知光催化材料光吸收特性的调控也是光催化剂调控过程中
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光催化剂制氢效果由光催化剂的活性所决定,通过对光催化剂内部的光吸收、热输运特性进行调控以提升光催化活性的设计理念备受关注。目前光催化剂光吸收特性分析主要是基于几何光学,无法准确分析具有微纳形貌下的光催化剂内部光吸收特性,需要发展更加可靠的光吸收特性分析方法;光催化材料的光学常数也是影响其光吸收特性的重要因素之一,对未知光催化材料光学常数的预测和对已知光催化材料光吸收特性的调控也是光催化剂调控过程中的必要环节,光学常数主要由材料的晶体结构所决定,因此还需要建立光催化材料晶体结构和辐射特性计算之间的联系;反应温度也是影响光催化活性的重要因素,对于光催化剂导热系数的预测和调控也是优化光催化活性的重要环节;目前,相变储热是太阳能储热的主要方式之一,随着储热介质工作温度越来越高,辐射换热所占的权重越来越大,且储热介质组分多变,储热介质的高温光学常数测量困难,准确预测储热介质高温光学常数对于储热性能调控具有重要意义。本文围绕太阳能制氢储热材料光热性能理论预测与调控展开研究,针对氮化碳光催化剂的光热性能预测和调控,发展光催化剂微纳辐射能量吸收特性分析方法,厘清光催化剂孔径和光吸收特性之间的关系;针对光催化剂的光学常数预测和调控问题,引入第一性原理计算并建立光催化材料晶体结构与光学常数之间的联系,有助于从原子尺度开始光吸收特性分析;预测和调控氮化碳材料热输运特性;发展高温熔盐材料高温光学常数的理论计算方法,主要内容包括以下几个方面:针对光催化材料内部光吸收特性分析,将微纳尺度辐射传输计算引入到光催化剂的光吸收机理分析中,以氮化碳光催化材料为例,对不同形貌的光吸收特性进行分析,讨论不同形貌对于辐射能量吸收特性的影响,发现当孔径不超过2μm时,孔径越大越有利于光催化剂对于光的吸收,适量粒子团聚可以也有可能会增强光催化活性,并指导多孔形貌、多级孔以及异质结形貌的光催化剂的合成,为光催化剂低成本合成提供新的思路。针对未知光催化材料光学常数的和已知光催化材料光吸收特性的调控,本文通过碱金属-卤族元素共掺杂调控石墨相氮化碳电子结构,预测共掺杂氮化碳电子结构、光学常数以及催化活性。发现卤族元素的主要作用是在原有的石墨相氮化碳的带隙中增加一个新的能级,而碱金属元素则是在C-N原子层间构建一个离子通道,增强电荷的输运能力,接着使用本文提出的微纳光吸收分析方法,结合光催化剂形貌,实现原子尺度光催化剂的辐射特性的调控。由于多聚氮化碳材料结构多变性,本文预测不同聚合度的多聚氮化碳的导热系数,构建多聚氮化碳的聚合度与导热系数之间的关系,预测不同聚合度下的多聚氮化碳整体的导热系数、弹性模量,并以此为基础,通过施加应变实现多聚氮化碳导热系数的定向调控,发现当体积缩小为原来的1/2时,导热系数可提升至原来的155%。针对经典分子动力学经验势函数计算精度不够准确、所覆盖的元素种类不全等问题,本文构建用于描述石墨相氮化碳体系的深度势函数模型,预测不同结构下石墨相氮化碳的各向异性导热系数,通过控制层数实现石墨相氮化碳的力学性能和导热系数的定向调控,在此基础上研究了体相石墨相碳化氮的热输运特性,得到了沿着C-N原子平面上导热系数分别为4.41 Wm-1K-1和4.12 Wm-1K-1以及层间导热系数为1.40 Wm-1K-1约为沿着平面的1/3。高温熔盐辐射换热过程对其传热影响较大,获得高温熔盐不同温度下的光学常数是考虑辐射换热过程的前提。针对高温熔盐工作状态下光学常数缺失的问题,本文发展高温熔盐不同温度下的光学常数的理论计算方法,并以太阳盐和氯化盐为例,预测不同温度下熔融太阳盐、氯化盐（Na Cl和KCl）的高温光学常数。
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