摘要:
光催化分解水制氫是應對能源危機和環(huán)境污染問題的途徑之一,也是實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化和儲存的有效方法.其中,應用層面的一個關(guān)鍵制約因素是高效光催化劑的開發(fā)和制氫反應體系的構(gòu)建,理論層面的一個關(guān)鍵科學問題是光生電子-空穴的高效分離及光生電子定向遷移,這兩個層面的問題構(gòu)成當前光催化分解水制氫研究的重大挑戰(zhàn).因此,穩(wěn)定、高效催化劑的制備成為光催化領(lǐng)域重要的研究目標.類石墨烯氮化碳(g-C3N4)的結(jié)構(gòu)與石墨相似,其層與層之間的范德華力使其具有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性.g-C3N4是一種聚合物非金屬半導體,由于具有與碳材料相似的層狀堆積結(jié)構(gòu)和sp2雜化的π共軛電子能帶結(jié)構(gòu),因此被認為是最有可能代替碳材料用于光催化分解水制氫的新型光催化材料.g-C3N4的室溫禁帶寬度為2.7eV左右,其價帶和導帶的位置完全覆蓋了水的氧化-還原電位,因此理論上g-C3N4不僅能夠氧化水為氧氣,而且能夠?qū)⑺€原產(chǎn)氫,從而表現(xiàn)出優(yōu)良的光電特性,成為新型太陽能轉(zhuǎn)換材料.然而,g-C3N4在展示了良好研究前景的同時也存在一些缺陷,如比表面積較小及穩(wěn)定性差等,這制約了g-C3N4在光催化領(lǐng)域的應用.為此,通過各種化學修飾對g-C3N4進行改性以提高其光催化活性和穩(wěn)定性成為一個重要的研究方向.本文采用高溫煅燒方法成功制備了Zn-Ni-P@g-C3N4催化劑.將一定量的g-C3N4、乙酸鎳、乙酸鋅和次亞磷酸鈉均勻混合在一起并研磨成粉末,然后以3oC/min的速率升溫至300oC并在此溫度下保持2h,自然冷卻至室溫后即得到Zn-Ni-P@g-C3N4催化劑,整個制備過程在氮氣環(huán)境中進行.研究表明,在Zn與Ni摩爾比為1:3的Zn-Ni-P@g-C3N4催化劑上,當反應體系pH=10,在420nm光照下反應5h產(chǎn)氫量可達531.2μmol,是純g-C3N4上的54.7倍.20h循環(huán)實驗表明催化劑具有較好的光催化穩(wěn)定性.對催化劑進行了XRD、TEM、SEM、XPS、N2吸附、UV-vis DRS、瞬態(tài)光電流、FT-IR、瞬態(tài)熒光和Mott-Schottk等一系列表征,證明Zn-Ni-P的參與有效調(diào)變了電荷傳輸機制.SEM表征表明,Zn-Ni-P@g-C3N4為均勻排列的小顆粒,與純g-C3N4相比其結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,在Zn-Ni-P@g-C3N4結(jié)構(gòu)中未發(fā)現(xiàn)g-C3N4納米片的存在,說明Zn-Ni-P和g-C3N4成功復合.在上述研究基礎(chǔ)上推測了可能的反應機理.