新型p-Ca2Fe2O5/n-SrTiO3异质结纳米光催化剂的制备及可见光催化制氢研究

Increasing visible light absorption and photon quantum yield of photocatalysts is the key to realize photocatalytic hydrogen production technology. Semiconductor combination is one of significant approaches to improve photogenerated carriers separation efficiency. In this project, p-type semiconductor Ca2Fe2O5 which has strong absorption of visible light and n-type semiconductor SrTiO3 will be coupled, and a p-n junction formed at the interface of two semiconductors will improve the efficiency of photocatalytic hydrogen production over Ca2Fe2O5 under visible light. The mechanisms and effects of surface properties such as pore size, particle size of Ca2Fe2O5, SrTiO3 and Ca2Fe2O5/SrTiO3 on its photocatalytic activities of hydrogen production are studied systematically..The effects of charge density on p-n junction at the interface of two semiconductors on photogenerated carriers separation efficiency are discussed. Meanwhile, the controlled synthesis of porous Ca2Fe2O5 and porous SrTiO3 is explored. According to the cocatalyst loading position, we systematically study the effect and mechanism of photogenerated carrier mobility path on the photocatalytic activities of hydrogen generation over Ca2Fe2O5/SrTiO3 under visible light. It is the first time to realize photocatalytic hydrogen generation over Ca2Fe2O5/SrTiO3 coupled semiconductor under visible light in this project, which will enrich theoretics of the synthesis of photocatalysts with high photocatalytic activities under visible light.

提高光催化剂对可见光的吸收和光量子的产率是实现光催化制氢技术的关键。半导体复合是提高催化剂光生载流子分离效率的重要途径之一。本课题拟利用对可见光具有较强吸收的p型半导体Ca2Fe2O5与n型半导体SrTiO3 复合，在二者界面处形成p-n结，来提高Ca2Fe2O5可见光催化制氢的效率。系统研究半导体光催化剂的孔径、粒径等表面特性对Ca2Fe2O5、SrTiO3 以及Ca2Fe2O5/SrTiO3光催化制氢性能的影响和机理；探讨半导体界面处p-n结电荷密度对光生载流子分离效率的影响；同时，探索可控合成多孔Ca2Fe2O5和SrTiO3的制备方法。利用共催化剂担载的位置不同，系统研究光生载流子迁移路径对Ca2Fe2O5/SrTiO3 可见光催化制氢性能的影响和机理。本项目拟首次实现Ca2Fe2O5/SrTiO3 复合半导体可见光催化制氢，进一步丰富可见光催化制氢的理论。

在能源结构中，目前尽管化石能源仍然占主导地位，但是清洁能源是未来能源的发展方向是毋庸置疑的，发展清洁能源和可再生能源成为能源研究的重点。本项目针对太阳能和氢能，利用太阳光和水资源，在催化剂的作用下，产生二次清洁能源H2，已经成为新能源研究的热点。.SrTiO3具有包容性和可变性很大的钙钛矿结构，已经成为可见光制氢催化剂的主体材料之一。利用溶液法合成了Fe3+和Cr3+掺杂的SrTiO3纳米颗粒，当Fe3+的掺杂量为0.2 mol%时，SrTiO3的光催化制氢性能最佳，并实现了可见光催化制氢。当Cr3+掺杂量为0.2 mol%时，SrTiO3的光催化制氢速率最高，0.2 mol%和0.5 mol% Cr3+掺杂的SrTiO3可以实现可见光催化制氢。Cr3+掺杂SrTiO3的可见光催化制氢的速率比Fe3+掺杂SrTiO3高。在粒径相差不大，结晶度较好的情况下，决定可见光催化制氢性能的主要因素取决于施主能级的在带隙之间的位置和其电子轨道构型。.在SrTiO3/Pt表面复合Ca2Fe2O5之后，当复合量为10wt%和25wt%时，催化剂的制氢性能得到了提高；当复合量增加为50wt%时，SrTiO3/Pt-Ca2Fe2O5光催化剂的制氢性能反而下降。Ca2Fe2O5的复合量为25wt%时，SrTiO3/Pt-Ca2Fe2O5的光催化制氢速率最佳。若在Ca2Fe2O5催化剂的表面也担载0.2wt%的Pt颗粒，SrTiO3/Pt-Ca2Fe2O5/Pt的光催化产氢率要优于SrTiO3/Pt-Ca2Fe2O5，说明Ca2Fe2O5/Pt-SrTiO3/Pt的光生电子迁移的路径又发生了一些变化。.合成出均匀分布的金属Ni和NiMo4N5纳米晶体组成的Ni-Mo-N析氢催化剂，其耐酸性好和高性能析氢。在0.5M的H2SO4和1M的KOH溶液中，在电流密度为20mA/cm2的条件下，Ni-Mo-N具有很低的过电位。其具有独特的两相结构，NiMo4N5金属氮化物相可以保护Ni金属相免受酸的腐蚀。Ni-Mo-N是一种低成分的非贵金属析氢催化剂，在电解水制氢方面具有广泛的应用前景。