催化剂设计实例

存档日期： 存档编号: 辽宁石油化工大学专业课程设计课程名称：任课教师：完成日期： 年月日专 业：学 号：姓 名：成 绩：提高中光催化水分解光催化材料效率的半导体异质结型催化剂CaFe2O4PbBi2Nb1.9W0.1O9设计一、设想的描述1、光催化水分解的目的及应用价值。氢能已被普遍认为是一种理想、无污染的绿色能源，其燃烧值高且燃烧后唯一的产物是水，对环境不会造成任何污染，因此，氢能开发是解决能源危机和环境问题的理想途径。在众多氢能开发的手段和途径中，通过光催化剂，利用太阳能光催化分解水制氢是最为理想和最有前途的手段之一；而开发高效、廉价的实用光催化剂是实现这一过程的关键，也成为当前国际能源材料领域的研究热点之一。2、光催化分解水反应机理像其他的催化反应一样,光催化水的分解开始当一个半导体催化剂开始吸收比它的带隙能量强的光子。这些吸收使得处于导带的电子被激发并且在半导体的价电子带产生了空穴就像图1展示的那样。1光电子和空穴氧化和还原水，产生了2：1混合着的氢气和氧气通过以下的反应。氧化反应：H2O + 2h+ 2H+ + 1/2O2 (1)还原反应：2H+ + 2e H2 (2)总的反应方程式：H2O H2 + 1/2O2 (3)总的反应方程包括四个电子转移（每生成摩尔氧气）通常是通过金属和金属氧化物助催化剂（在图中用 cat1和cat2表示）附着在半导体表面。这些助催化剂为催化反应提供电子和反应的活性中心。2这个反应包括标准Gibbs自由能变化G=237KJ/mol（1.23eV每转移一个电子）。实际上，一些超电势可以加速反应，所以半导体能承受的电压应该大于等于1.6-1.8eV在水的分解中。为了吸收更多的可见光的照射，半导体的电压应该小于2.2eV。除此之外，为了还原和氧化水,导带应该位于一个比水的还原电势更负的位置(0V NHE),然而价电子带应该比水的氧化态更正(1.23V NHE)如图1。因此，可见光下水分解的催化材料应该满足这两个关于带隙能量（1.6-1.8eVEg1.23 V(pH=0，NHE)和水的还原半反应电势，Ered300 nm的光透过）进行。测前，取0.2 g CaFe2O4PbBi2Nb1.9W0.1O9和(distilled H2O(170 mL) + CH3OH(30 mL)溶液放入反应器中，利用气泵将反应中的空气排出。测定时，使用500 W的氙灯作为光源，反应器置于水浴中冷却保室温，并用磁力搅拌器进行搅拌。每次照射3 h后，利用气相色谱检测气体产物的种类和数量。不同波长的入射光由一系列的截止滤波片提供。四、小结 （结论） 异质结半导体作为一种有效的方法来发明一种高效率的催化剂促进水在可见光下分解。和单一的催化剂相比，半导体异质节是一个有效的系统对于电子空穴的分离可以在废弃电子空穴的重新组合的过程中使能量最低化。但是太阳能转化氢的效率太低，同时光催化效率获得是通过牺牲了药剂系统(CH3OH AgNO3 )，这些没有实际价值。我们面临着一个很大的挑战去寻找一种材料来吸收更多来自太阳光的光子并且把它们更有效的转化为化学能，同时将电荷的组合损失降到最低。 五 文献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金振声,李庆霖.关于利用太阳能光解水制氢的研究.化学进展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) :