催化剂的设计.doc

存檔日期： 存檔編號: 北京化工大學研究生課程論文課程名稱：課程代號：任課教師：完成日期： 年月日專 業：學 號：姓 名：成 績：提高中光催化水分解光催化材料效率的半導體異質結型催化劑CaFe2O4PbBi2Nb1.9W0.1O9設計一、設想的描述1、光催化水分解的目的及應用價值。氫能已被普遍認為是一種理想、無污染的綠色能源，其燃燒值高且燃燒後唯一的產物是水，對環境不會造成任何污染，因此，氫能開發是解決能源危機和環境問題的理想途徑。在眾多氫能開發的手段和途徑中，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；而開發高效、廉價的實用光催化劑是實現這一過程的關鍵，也成為當前國際能源材料領域的研究熱點之一。2、光催化分解水反應機理像其他的催化反應一樣,光催化水的分解開始當一個半導體催化劑開始吸收比它的帶隙能量強的光子。這些吸收使得處於導帶的電子被激發並且在半導體的價電子帶產生了空穴就像圖1展示的那樣。1光電子和空穴氧化和還原水，產生了2：1混合著的氫氣和氧氣通過以下的反應。氧化反應：H2O + 2h+ 2H+ + 1/2O2 (1)還原反應：2H+ + 2e H2 (2)總的反應方程式：H2O H2 + 1/2O2 (3)總的反應方程包括四個電子轉移（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表示）附著在半導體表面。這些助催化劑為催化反應提供電子和反應的活性中心。2這個反應包括標準Gibbs自由能變化G=237KJ/mol（1.23eV每轉移一個電子）。實際上，一些超電勢可以加速反應，所以半導體能承受的電壓應該大於等於1.6-1.8eV在水的分解中。為了吸收更多的可見光的照射，半導體的電壓應該小於2.2eV。除此之外，為了還原和氧化水,導帶應該位於一個比水的還原電勢更負的位置(0V NHE),然而價電子帶應該比水的氧化態更正(1.23V NHE)如圖1。因此，可見光下水分解的催化材料應該滿足這兩個關於帶隙能量（1.6-1.8eVEg1.23 V(pH=0，NHE)和水的還原半反應電勢，Ered300 nm的光透過）進行。測前，取0.2 g CaFe2O4PbBi2Nb1.9W0.1O9和(distilled H2O(170 mL) + CH3OH(30 mL)溶液放入反應器中，利用氣泵將反應中的空氣排出。測定時，使用500 W的氙燈作為光源，反應器置於水浴中冷卻保室溫，並用磁力攪拌器進行攪拌。每次照射3 h後，利用氣相色譜檢測氣體產物的種類和數量。不同波長的入射光由一系列的截止濾波片提供。四、小結 （結論） 異質結半導體作為一種有效的方法來發明一種高效率的催化劑促進水在可見光下分解。和單一的催化劑相比，半導體異質節是一個有效的系統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。但是太陽能轉化氫的效率太低，同時光催化效率獲得是通過犧牲了藥劑系統(CH3OH AgNO3 )，這些沒有實際價值。我們面臨著一個很大的挑戰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化為化學能，同時將電荷的組合損失降到最低。 五 文獻1 J.S. Lee, Catal. Surv. Asia 9 (2005) 217227. 2 T. Sakata, in: N. Serpone, E. Pelizzetti (Eds.), Photocatalysis: Fundamentals and Applications, Wiley, New York, 1989.3金振聲,李慶霖.關於利用太陽能光解水制氫的研究.化學進展J,1992,(01):130-1384Y.Miseki,H.Kato and A.Kudo.Water splitting into H2 and O2 over Cs2Nb4O11 photocatalyst.Chem LettJ,2005,34(1):54-555Y.He,Y.Zhu and N.Wu.Synthesis of nanosized NaTaO3 in low temperature and its photocatalytic performance.J Solid State ChemJ,2004,177(11):3868-38726Q.Zhang and L.Gao.Ta3N5 Nanoparticles with Enhanced Photocatalytic Efficiency under Visible Light Irradiation.LangmuirJ,2004,20(22):9821-97Z.G.Zou,J.L.Li and Y.Wu,The Study of Self-Propagating High-Temperature Synthesis of TiC-Al2O3/Fe Composites from Natural IlmeniteB.Zurich-Uetikon,2005,280-283:1103-1106.8Z.G.Zou,J.H.Ye,K.Sayama,et al.Photocatalytic hydrogen and oxygen formation under visible light irradiation with M-doped InTaO4(M=Mn,Fe,Co,Ni and Cu)photocatalysts.J PhotochPhotobio AJ,2002,148(1-3):65-699L.F.Liotta,G.Di Carlo,G.Pantaleo,et al.Co3O4/CeO2 and Co3O4/CeO2-ZrO2 compositecatalysts for methane combustion:Correlation between morphology reduction properties and catalytic activity.Catalysis CommunicationsJ,2005,6(5):329-33610Matsumoto Y. Energy Positions of Oxide Sem iconductors and Pho-tocatalysis with Iron Complex Oxides. J Solid State Chem, 1996,126 (2) : 22723411Matsumoto Y, Sugiyama K, Sato E. Photocathodic Hydrogen Evo-lution Reactions at p-Type CaFe2O4 Electrodes with Fermi Level Pinning. J Electrochem Soc, 1988, 135 (1) : 9810412Matsumoto Y, Omae M, Sugiyama K, et al. New PhotocathodeM aterials for Hydrogen Evolution: CaFe2O4 and Sr7 Fe10 O22. J Phys Chem, 1987, 91 (3) :