Pd/ZnIn_(2)S_(4)纳米片光催化苯甲醇氧化耦合产氢的研究

通过溶剂热-光沉积法制备了Pd颗粒负载的二维ZnIn_(2)S_(4)纳米片用于光催化苯甲醇氧化和产氢的耦合反应。当Pd负载量为1.0%(质量分数)时光催化性能最优,在可见光下苯甲醛和氢气的产生速率分别达到3804.1、4629.8µmol/(g·h),苯甲醛选择性为80.0%。利用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等表征了光催化剂的形貌与结构,利用光致发光光谱(PL)、时间分辨荧光光谱(tr-PL)、电化学阻抗谱(EIS spectra)、紫外-可见漫反射光谱(UV-visible spectra)等分析了光催化剂的光学和光电化学性质。研究发现,Pd颗粒的表面等离子体共振效应增强了光催化剂的可见光吸收,其较低的费米能级使得ZnIn_(2)S_(4)导带上的光生电子向Pd转移,提高了光生载流子的分离效率,因此提升了光催化氧化还原反应性能。此外,还提出了Pd/ZnIn_(2)S_(4)光催化剂氧化苯甲醇协同产氢的反应机理,即光生空穴将苯甲醇氧化成苯甲醛,光生电子将苯甲醇中的氢质子还原成氢气。

X射线光电子能谱(XPS)在催化产氢研究中的应用

催化产氢技术因其高效、清洁的特性而备受关注,其中,催化材料性能的探索与优化是提升氢能产率的关键。X射线光电子能谱技术(XPS)作为一种表面分析技术,能够通过测量光电子的能量分布来解析样品表面的化学信息,包括元素的种类、含量、化学状态及电子结构,为催化产氢研究提供了不可或缺的工具。通过对XPS原理、催化产氢几种常见类型及原理、XPS在几种常见催化产氢材料体系的应用进行归纳,表明XPS不仅能够揭示材料表面活性位点的电子结构与化学环境,还能深入理解催化机理和反应路径,指导材料的理性设计。最后,对XPS技术未来在催化产氢领域的发展进行了展望,随着XPS与其他多种手段的结合,有助于推动催化产氢领域向更深层次的机理探索和高性能材料的开发,这一研究方向不仅促进了催化科学的发展,也为氢能经济的实现提供了强有力的支撑。

Pt NPs增强ZnO@ZnS核-壳异质纳米棒光催化产氢性能研究

采用原位光沉积方法将铂纳米颗粒(Pt NPs)负载在核-壳异质纳米棒ZnO@ZnS表面,制备出ZnO@ZnS/Pt复合光催化剂。调控Pt NPs在ZnO@ZnS表面的负载量,探究了不同质量的Pt NPs对光催化产氢气性能的影响。结果表明,当贵金属Pt的负载量为2%(ZnO@ZnS/Pt-2)时,复合光催化产H_(2)性能最好,产氢速率为4.52 mmol/(g·h),是ZnO@ZnS的1.8倍,催化剂表现出优异的催化稳定性。在此复合材料中,贵金属Pt纳米颗粒作为助催化剂,Pt对H~+具有较低的吸附能,优先吸附H~+,光生电子转移到Pt纳米粒子表面,H^(+)在其表面得到光生电子,被还原为氢气,成功地抑制了光生电子和空穴的复合,有效地提升了催化剂的催化性能。

绿藻产氢的机制及研究进展

系统介绍绿藻在厌氧条件下利用氢化酶产氢的3种不同途径,包括依赖光系统II的直接产氢、不依赖光系统II的间接产氢和暗发酵产氢,同时分析3种产氢途径各自的优缺点。受技术和制造成本限制,绿藻产氢仍处于初步开发阶段,实现大规模工业生产仍需很长一段时间。针对提高绿藻产氢效率、实现工业化的目标,综述该领域最新研究结果,概括从氢化酶改造、降低体系中氧气含量、减弱环式电子传递、降低卡尔文循环、缩小捕光天线、底物预处理和光生物反应器设计等7个方向优化产氢反应的方式,并展望绿藻产氢的未来发展趋势。

宽光谱响应范围的氮化碳纳米片的制备及其光催化产氢性能研究

以块体氮化碳(CN)为前驱物,采用氧化剥离制备氧化型氮化碳纳米片(o-CN NSs),将o-CN NSs还原制得了还原型氮化碳纳米片(r-CN NSs)。o-CN NSs和r-CN NSs厚度均约2 nm,且都保留了纯CN的庚嗪环骨架结构;相比于o-CN NSs,r-CN NSs具有更小的禁带宽度(2.62 eV)、更宽的光响应范围(485 nm)和更高的产氢速率(1700μmol/(g·h));r-CN NSs的光催化产氢速率是CN的8.5倍、o-CN NSs的2.1倍。经过20 h的循环测试,r-CN NSs的光催化产氢速率没有衰减,具备良好的光催化稳定性。实验和理论分析表明,r-CN NSs是边缘基团为氨基的纳米片结构,氨基的引入改善了纳米片的结晶性,提高了电子和空穴的分离效率、拓宽了纳米片的光响应范围,从而导致光催化性能增强。

Cu_(2)O@C复合纳米材料的光诱导合成制备及其光催化产氢性能

Cu_(2)O具有禁带窄、环境友好和储量丰富等优点,是一种理想的可见光催化剂,然而其光生载流子复合率高和稳定性差等问题限制了Cu_(2)O在光催化领域的实际应用。为此,本文采用光诱导原位技术,以甲醇为碳源、硫酸铜为铜源,一步成功制备了超薄炭壳层包覆的Cu_(2)O复合纳米材料(Cu_(2)O@C)。结果显示,与常规炭包覆方法相比,光诱导原位技术避免了苛刻的反应条件及繁琐的合成步骤对Cu_(2)O半导体结构的破坏,有效保留了Cu_(2)O本征电子结构,使其具有优异的光催化活性及稳定性。同时,Cu_(2)O@C的核壳结构不仅可以钝化半导体表面缺陷和促进光生载流子的分离,而且炭壳层的包覆还可以避免Cu_(2)O纳米颗粒与溶液的直接接触,有效抑制高活性反应中间体对催化剂结构的破坏。与单独的Cu_(2)O纳米颗粒相比,Cu_(2)O@C复合纳米材料在可见光下的光解水产氢活性和稳定性得到显著提高,产氢速率可达1.28 mmol/(g·h),且在连续五次循环稳定性测试中,氢气生成速率无明显变化。

钛网上CdS纳米微球的制备及可见光下产氢性能研究

为了提高催化剂的光催化产氢能力,本文采用简单的水热法,在处理后的钛网表面生长了CdS纳米微球。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对样品的成分、结构、形貌进行了表征,并研究了其光电化学性能及可见光下光催化性能。结果表明,钛网上生长的CdS微球由纳米棒组装而成,通过缺陷调控,Cd/S物质的量之比为1∶1(CdS-1)的样品具有良好的光电响应,在零偏压下最大光电流约为140μA,可见光下的产氢率可达212.6μmol·h^(-1)·cm^(-2),并且方便回收,是一种理想的光催化产氢材料。

钴基助催化剂在光催化产氢中的应用研究进展

通过光催化分解水产生的氢气可以用于驱动燃料电池或其他能源转换设备,这有助于减少对化石燃料的依赖,减少温室气体排放。但是实验发现,很多光催化剂存在可见光利用率低和光生电子-空穴易复合的问题。为了抑制光生电子-空穴的复合,提高光催化剂产氢效率,研究者们尝试了多种催化剂改性方式,加入助催化剂是其中最有效的方式之一。传统的贵金属助催化剂虽然有良好的效果,但是价格高,不利于大量生产应用。钴(Co)是一种廉价易得的过渡金属,作为助催化剂其效果有时可与铂(Pt)等贵金属相当。本文总结了不同Co基助催化剂,如Co的硫化物、氧化物、氢氧化物以及磷化物等助催化剂在光解水产氢方面的研究进展,希望对该领域的研究提供一些有价值的参考。

TiO_(2)@H^(+)/g⁃C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢性能及机理分析

本文研究了TiO_(2)含量对TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)异质结光催化剂产氢性能的影响。首先将石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))用硫酸处理,得到酸洗氮化碳(H^(+)/g-C_(3)N_(4)),然后通过煅烧法在H^(+)/g-C_(3)N_(4)表面负载TiO_(2)得到TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料,利用透射电镜、X射线衍射仪、紫外-可见漫反射仪和比表面仪对TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料进行了表征,研究了其在可见光下的光催化产氢性能,探讨了TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料光催化产氢机理。实验结果表明:1)煅烧法可以成功制备TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料,且TiO_(2)的负载显著地提升了H^(+)/g-C_(3)N_(4)的光催化产氢性能,这主要归功于TiO_(2)/g-C_(3)N_(4)异质结的形成降低了光生电子空穴的复合速率,加快了电子的转移速率;2)实验结果还表明TiO_(2)的负载量对TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢性能有很大影响,当TiO_(2)含量为25%时,所制备的25-TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢性能最好,其光催化产氢速率为3.47 mmol·g^(−1)·h^(−1),是H^(+)/g-C_(3)N_(4)产氢速率的4.05倍,这主要归功于25-TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)大的比表面积和高的光吸收度;3)所制备的25-TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料还表现出良好的稳定性。

Al-Sn复合材料的制备及其水反应产氢效率

为提高Al和水的反应活性,采用高能球磨法制备了Al-Sn复合材料,通过SEM、激光粒径分析、XRD等方法表征了Al-Sn复合物的微观结构,研究了Al-Sn复合材料的水反应活性,考察了颗粒粒径、水介质、起始温度、球磨参数变化对Al-Sn复合物水反应活性的影响。实验结果表明,高能球磨法及金属Sn的加入能够大幅提高Al与水反应的活性,制备的Al-Sn复合材料与水反应的氢气产率达83.92%,快速期最大产氢速率为359mL/(min·g)。

NaBH_4水解产氢用Co_3O_4包覆多孔陶瓷制备及表征

高比表面积的微纳米催化剂有利于NaBH_4水解产氢,但物理团聚导致了应有催化位点的掩盖。为此,本文以催化剂包覆多孔陶瓷为研究思路,分析了ZIF-67和海泡石的微观结构、晶型,抛光废渣的热稳定性,三者进行复配、共混、压制和烧结成型多孔陶瓷,研究了其微观结构、烧结前后重量变化率和吸水率,探究催化NaBH_4水解产氢过程中其结构稳定机制。结果表明,ZIF-67热解提供Co_3O_4催化位点和孔隙空间,纤维状海泡石与抛光粉体在烧结过程相互熔融搭接形成高孔隙率的稳定结构,使得在催化过程中多孔陶瓷表现出高稳定结构。

嗜热厌氧菌共培养发酵玉米秸秆产氢的研究

氢能是对环境无害且可以替代化石燃料的可持续性能源。利用嗜热厌氧菌暗发酵木质纤维素生产氢气是一种极具潜力的生物制氢技术,具有清洁、高效和可再生的优势。构建解糖热解纤维素菌和热解糖厌氧杆菌共培养体系,考察两株菌株接种比例、总接种量和底物浓度对玉米秸秆发酵产氢的影响。实验结果表明,在发酵体系初始pH值7.0,培养温度60℃条件下,当解糖热解纤维素菌和热解糖厌氧杆菌接种比例为3∶2,菌种总接种量为6%,秸秆浓度为15 g·L^(-1)时,体系产氢能力最强。此时,发酵体系产氢量累积达到65.6 mL·g-1-秸秆,氢气含量为46.9%,最大产氢速率为1.47 mL·g^(-1)h^(-1)。

不同产酸发酵菌群产氢能力的对比与分析

重点对乙醇型发酵菌群和丙酸型发酵菌群的产气及产氢能力进行了对比研究 ,并对发酵菌群由丙酸型演替为乙醇型过程中的产氢速率变化进行了分析 .在有机负荷相同的条件下 ,乙醇型发酵菌群表现出较高的产氢速率和比产氢速率 ,最大产氢速率为 1 4 99L/d ,最大比产氢速率为 3 5 86 4 5mmol/ (kg·d) .而丙酸型发酵菌群产氢速率和比产氢速率都较低 ,分别为 3 62L/d ,1 96 4 6mmol/ (kg·d) .生物制氢反应器在运行中维持乙醇型发酵更有利于获得较高的氢气产量 。

工业副产氢资源开发与成本分析

为解决氢能交通行业用氢成本高昂,以及氢气资源与用氢场景存在空间错配的问题,可将关注点聚焦于来源广、成本低的工业副产氢资源。分析了副产氢来源、分布以及相关产品和产量规模,测算了不同类型副产氢的制氢和售氢成本,提出了工业副产氢的开发方式和建议,便于氢能交通用户结合实际寻找副产氢资源并开展合作,对降低用氢成本、推动氢能交通行业发展具有较强的借鉴性。

超薄2D/2D NiPS_(3)/C_(3)N_(5)异质结的界面工程促进光催化产氢

探索高效水分解光催化剂具有获得氢能源的巨大潜力。调控异质结界面可以有效地促进电荷载流子的分离和太阳能的利用,从而提高光催化活性。本工作使用了一种机械混合辅助自组装方法来构建NiPS_(3)(NPS)纳米片(NSs)/C_(3)N_(5)(CN) NSs (NPS/CN)异质结,即在二维(2D) CN NSs表面紧密沉积2D NPS NSs以形成2D/2D异质结构。在可见光下,通过在去离子水和海水中分解水生成氢气来评价样品的光催化性能。与CNNSs和NPSNSs相比,NPS/CN复合材料显示出较高的光催化产氢(PHE)活性,这是由于光捕获能力增加和异质结形成的协同作用所致。然而,过量的NPS NSs沉积在CNNSs表面会降低NPS/CN中CNNSs组分的光吸收,从而降低NPS/CN复合材料的PHE活性。这表明,NPS/CN复合材料要获得良好的光催化活性,需要两个组分之间适当的质量比。优化后的光催化剂(3-NPS/CN)具有良好的结构稳定性,在可见光下PHE效率最高,为47.71 μmol·h^(-1),是CN NSs的2385.50倍。此外,3-NPS/CN在海水中也表现出良好的PHE活性,反应速率为8.99 μmol·h^(-1)。采用光电化学、稳态光致发光(PL)、时间分辨光致发光(TR-PL)、稳态表面光电压(SPV)和时间分辨表面光电压(TPV)技术研究了不同光催化剂上的电荷分离和迁移。根据表征结果提出了一种可能的PHE机理。在NPS/CN光催化剂中,由于CN NSs和NPS NSs之间的电位差和强的界面电子耦合,光生电子从CN NSs的导带迅速迁移到NPS NSs的导带。然后,聚积在NPS NSs组份导带上的光生电子可以有效地还原质子生成氢气分子。同时,在三乙醇胺(TEOA)分子存在下,CN NSs和NPS NSs的价带上的光生空穴被消耗。本研究提供了一种简单的2D/2D异质结构光催化剂制备方法,该方法对于构建高效二维异质结光催化剂在能源领域中的应用具有重要价值。

WO_(3)/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S S型异质结光催化产氢耦合有机物转化机理研究

开发新型纳米材料实现光催化产氢耦合有机物转化、提高太阳能到化学能的转换效率,在解决能源和环境危机方面具有巨大潜力。三元金属硫化物具有可调控的带隙和优异的可见光响应,在光催化分解水产氢方面引起了广泛关注。其中,Zn_(0.5)Cd_(0.5)S是一种带隙较窄、导带位置较高、耐光腐蚀的还原型光催化剂;然而,单一Zn_(0.5)Cd_(0.5)S中光生电子和空穴的复合率较高,只有少部分光生载流子参与光催化反应,导致量子效率较低而无法达到实际需求。WO_(3)是一种典型的氧化型光催化剂,具有较低的价带位置和较强的氧化能力,是与Zn_(0.5)Cd_(0.5)S耦合构建S型异质结的理想半导体。基于此,本文通过静电纺丝和水热方法将Zn_(0.5)Cd_(0.5)S纳米片垂直生长在WO_(3)纳米纤维上,制备了具有核壳结构的WO_(3)/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S异质结。功函数的差异驱动Zn_(0.5)Cd_(0.5)S的电子转移到WO_(3)上,在界面处形成内建电场并使能带弯曲。通过原位光照X射线光电子能谱、电子顺磁共振和时间分辨荧光光谱分析,发现在内建电场、弯曲能带和库仑吸引力的作用下,WO_(3)导带上的光生电子迁移到Zn_(0.5)Cd_(0.5)S价带上并与其光生空穴复合,表明WO_(3)和Zn_(0.5)Cd_(0.5)S之间形成了S型异质结,实现了具有强氧化还原能力的载流子的高效分离。得益于独特的S型光催化机制以及反应物在催化剂表面的有效吸附与活化,没有贵金属助催化剂的情况下,WO_(3)/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S异质结在产氢(715 μmol·g^(-1)·h^(-1))和乳酸转化为丙酮酸方面表现出增强的光催化活性,实现了光生电子和空穴的高效利用。原位漫反射傅里叶变换红外光谱和密度泛函理论计算揭示了光催化产氢和有机物转化的反应机理。本工作为设计和研究新型S型异质结光催化剂、实现高效产氢耦合有机物转化提供了新的见解。

N掺杂和光化学合成CoSex助催化剂改性石墨相氮化碳以提高其光催化产氢性能

开发一种高效的产氢光催化剂对于将太阳能转化为氢能至关重要。该研究将氮掺杂石墨相氮化碳(CN)与光化学合成得到的助催化剂CoSex相结合,通过原位合成制备了一种高效的光催化产氢材料。该材料的最佳光催化性能较CN提高285倍。光电化学试验表明,氮掺杂和引入CoSex可以有效促进光生电荷载流子的分离,从而提高CN的产氢活性。该工作为利用光化学沉积方法制备新型光催化剂提供了新的视角。

NH_(2)-UiO-66/PyPD-COF异质结构筑及高效光催化产氢

有机框架化合物因分子水平结构可控、大的比表面积、高孔隙率、分散的化学活性位点以及良好稳定性等优点,在光催化解水制氢方面具有较大的应用潜力。采用溶剂热法,在共价有机框架PyPD-COF的合成过程中引入金属有机框架NH_(2)-UiO-66,原位形成NH_(2)-UiO-66/PyPD-COF异质结。通过TEM、EDS、XPS、FTIR、UV-Vis和光电流测试分析,光催化性能测试等手段对样品进行表征,构筑的NH_(2)-UiO-66/PyPD-COF异质结不仅可以保留原始MOF及COF组分的优良特性,还可在异质界面形成键连,利于促进界面间电荷迁移,降低电子-空穴复合率,提升光催化产氢效率至20.68 mmol·h^(-1)·g^(-1),分别为原始NH_(2)-UiO-66和PyPD-COF的86倍和3倍。同时,界面处的共价键键连使得复合样品具有良好的制氢稳定性,这为构筑高效光催化分解水产氢异质结光催化剂提供了一种新的策略。

双菌共培养产氢体系的构建及产氢性能的优化

生物发酵产氢是通过高效产氢菌把自然界储存于有机化合物中的化学能转化为氢气的技术。本研究在前期单菌产氢条件优化的基础上,构建丁酸梭菌(Clostridium butyricum LQ25)产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes AJ110637)共培养发酵产氢体系。以葡萄糖为底物,研究共培养发酵体系的产氢性能及其协同效应。结果表明:C.butyricum LQ25与E.aerogenes AJ110637在接菌的体积比9∶1、初始pH 7.0、发酵温度40℃的条件下产氢效率最高,每克葡萄糖产氢量最高可以达到354.05 mL,分别比C.butyricum和E.aerogenes单独发酵高出31.71%和70.59%。在共培养发酵体系中添加1.0 g/L的CaCO 3,可以显著缓解体系的酸化程度,H 2产率比对照组提高了21.80%。与单一菌株纯培养发酵产氢相比,双菌共培养体系产氢率有所提高,体现了C.butyricum和E.aerogenes的协作效应。

Ni掺杂构建电子桥及激活MoS_(2)惰性基面增强光催化分解水产氢

光催化产氢是解决环境污染和能源危机的有效途径之一。本研究构筑了Ni_(x)-MoS_(2)/ZnIn_(2)S_(4)异质结,以增强光生电子和空穴的分离并增加了产氢活性位点的数量。催化剂表征和理论计算表明,Ni_(x)-MoS_(2)与ZnIn_(2)S_(4)界面处的Ni可作为电荷转移的桥梁,Ni—S键是H_(2)O解离的活性位点,并且Ni_(x)-MoS_(2)表面上靠近硫空位处的硫位点促进了产氢反应。由于硫空位和Ni掺杂助催化剂MoS_(2)的协同作用,Ni_(0.08)-MoS_(2)/ZnIn_(2)S_(4)表现出最高的产氢速率,为7.13 mmol·h^(-1)·g^(-1),是ZnIn_(2)S_(4)的12.08倍。本研究通过表面空位和掺杂的协同效应以及异质结的优化,为提高光催化效率提供了一条新策略。