催化劑的設(shè)計(jì)

1、存檔日期 ： 存檔編號(hào) :北京化工大學(xué)研究生課程論文課程名稱：課程代號(hào)：任課教師：完成日期：年月專業(yè)：學(xué)號(hào)：姓名：成績：提高中光催化水分解光催化材料效率的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)型催化劑 CaFe2O4PbBi2Nb1.9W0.1O9 設(shè)計(jì)一、設(shè)想的描述1、光催化水分解的目的及應(yīng)用價(jià)值。氫能已被普遍認(rèn)為是一種理想、無污染的綠色能源，其燃燒值高且燃燒後唯 一的產(chǎn)物是水，對環(huán)境不會(huì)造成任何污染，因此，氫能開發(fā)是解決能源危機(jī)和環(huán) 境問題的理想途徑。在眾多氫能開發(fā)的手段和途徑中，通過光催化劑，利用太陽 能光催化分解水制氫是最為理想和最有前途的手段之一；而開發(fā)高效、廉價(jià)的實(shí) 用光催化劑是實(shí)現(xiàn)這一過程的關(guān)鍵 ，也成為

2、當(dāng)前國際能源材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之 一。2、光催化分解水反應(yīng)機(jī)理像其他的催化反應(yīng)一樣 ,光催化水的分解開始當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體催化劑開始吸收 比它的帶隙能量強(qiáng)的光子 。這些吸收使得處於導(dǎo)帶的電子被激發(fā)並且在半導(dǎo)體的 價(jià)電子帶產(chǎn)生了空穴就像圖 1展示的那樣。 1光電子和空穴氧化和還原水，產(chǎn)生 了 2： 1 混合著的氫氣和氧氣通過以下的反應(yīng)。氧化反應(yīng)： H2O + 2h+ 2H+ + 1/2O2(1)還原反應(yīng)： 2H+ + 2e- H2(2)總的反應(yīng)方程式 ：H2O H2 + 1/2O2(3)總的反應(yīng)方程包括四個(gè)電子轉(zhuǎn)移(每生成摩爾氧氣)通常是通過金屬和金 屬氧化物助催化劑(在圖中用 cat1和 cat2

3、表示)附著在半導(dǎo)體表面。這些助催化劑為催化反應(yīng)提供電子和反應(yīng)的活性中心。 2 這個(gè)反應(yīng)包括標(biāo)準(zhǔn) Gibbs 自由能變化 G=237KJ/mol(1.23eV 每轉(zhuǎn)移一個(gè)電子)。實(shí)際上，一些超電勢可以加速 反應(yīng)，所以半導(dǎo)體能承受的電壓應(yīng)該大於等於 1.6-1.8eV 在水的分解中。為了吸 收更多的可見光的照射，半導(dǎo)體的電壓應(yīng)該小於 2.2eV。除此之外，為了還原和 氧化水 ,導(dǎo)帶應(yīng)該位於一個(gè)比水的還原電勢更負(fù)的位置 (0V NHE),然而價(jià)電子帶 應(yīng)該比水的氧化態(tài)更正 (1.23V NHE) 如圖 1。因此，可見光下水分解的催化材料 應(yīng)該滿足這兩個(gè)關(guān)於帶隙能量( 1.6-1.8eVEg1.23

4、V(pH=0，NHE)和水的還原半反應(yīng)電勢， Ered300 nm 的光透過)進(jìn)行。測前，取0.2 gCaFe2O4PbBi2Nb1.9W0.1O9和(distilled H 2O(170 mL) + CH 3OH(30 mL)溶液放入反 應(yīng)器中，利用氣泵將反應(yīng)中的空氣排出。測定時(shí)，使用 500 W的氙燈作為光源， 反應(yīng)器置於水浴中冷卻保室溫，並用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌。每次照射 3 h後，利 用氣相色譜檢測氣體產(chǎn)物的種類和數(shù)量 。不同波長的入射光由一系列的截止濾波 片提供。四、小結(jié) （結(jié)論）異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體作為一種有效的方法來發(fā)明一種高效率的催化劑促進(jìn)水在可見 光下分解。和單一的催化劑相比，半導(dǎo)體異

5、質(zhì)節(jié)是一個(gè)有效的系統(tǒng)對於電子空穴 的分離可以在廢棄電子空穴的重新組合的過程中使能量最低化 。但是太陽能轉(zhuǎn)化 氫的效率太低，同時(shí)光催化效率獲得是通過犧牲了藥劑系統(tǒng)(CH3OH AgNO3 )，這些沒有實(shí)際價(jià)值 。我們面臨著一個(gè)很大的挑戰(zhàn)去尋找一種材料來吸收更多來自 太陽光的光子並且把它們更有效的轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 ，同時(shí)將電荷的組合損失降到最 低。五 文獻(xiàn)1 J.S. Lee, Catal. Surv. Asia 9 (2005) 217 227.2 T. Sakata, in: N. Serpone, E. Pelizzetti (Eds.), Photocatalysis: Fundamental

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