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。

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)。

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。

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。

磷化镍修饰磷掺杂氧化镓可见光催化水分解产氢

以Ga_(2)O_(3)半导体为前驱体,用浸渍加低温磷化法制备了P掺杂Ga_(2)O_(3)表面修饰Ni_(2)P光催化剂(x-Ni_(2)P/Ga_(2)O_(3)-P_(y),x代表Ni^(2+)和Ga_(2)O_(3)的物质的量之比,y代表NaH_(2)PO·H_(2)O与Ga_(2)O_(3)的物质的量之比)。5%-Ni_(2)P/Ga_(2)O_(3)-P_(6)催化剂展现出在纯水中光催化析氢的高活性,在430 nm光照下的光量子效率为0.22%。机理研究结果表明Ni_(2)P修饰和P掺杂扩展了催化剂的光响应范围,同时提升了载流子分离迁移效率,其长周期光催化反应稳定性明显优于未磷化催化剂。

绣球花状ZnIn_(2)S_(4)/CoWO_(4)S型异质结的构建及可见光催化产氢性能

通过合理设计异质结结构来加速光催化产氢反应在高效光催化材料的开发中发挥着不可或缺的作用.ZnIn_(2)S_(4)(ZIS)由于其优异的光电性能和较负的导带位置,在光催化产氢领域受到了广泛关注,但其仍存在严重的光生载流子复合和团聚问题.为此,首先通过理论计算预测了ZnIn_(2)S_(4)/CoWO_(4)(ZIS/CWO)S型异质结的能带结构及电子转移路径,并通过电子局域函数和电荷密度差分确定了异质结界面处的电子交换.随后,采用超声-搅拌-煅烧法将CWO纳米颗粒分散并负载到ZIS花球表面,获得了绣球花状ZIS/CWOS型异质结光催化剂.由于ZIS与CWO之间紧密的界面以及形成的内部电场,致使ZIS/CWOS型异质结的光生电子-空穴对得到了有效分离,进而提高了光催化产氢效率.同时,实验结果确定了S型异质结的形成和载流子的传输路径,揭示了光催化反应机理.

石墨相氮化碳复合材料催化分解水产氢研究进展

石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))具有特殊的能带结构和稳定的物理化学性能,可通过光照分解水产氢,但由于光生电子-空穴复合严重以及禁带宽度限制等问题,对于光的利用非常有限。将g-C_(3)N_(4)与其他光催化材料复合,可以降低电子-空穴的复合率并且拓宽吸收范围,从而提高光催化活性。介绍了g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢机理,综述了g-C_(3)N_(4)复合材料的制备方法及产氢性能,展望了未来g-C_(3)N_(4)复合材料的发展方向。

S型异质结NiTiO_(3)/CdS光催化页岩气返排废水产氢性能研究

本研究通过简单水热法制备出具有S型异质结构的NiTiO_(3)/CdS光催化材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、比表面积分析及紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)等手段对光催化剂进行表征,并通过光催化页岩气返排废水产氢实验测试其产氢性能。结果表明,NiTiO_(3)和CdS两者成功复合,15%NiTiO_(3)/CdS表现出最强的产氢性能(1568.9μmol/(g·h))和优异的循环利用潜力。本研究对开发高效稳定的S型异质结光催化剂、废水的多效利用及缓解能源短缺具有重要意义。

N,S-CQDs/Mn_(0.5)Cd_(0.5)S的制备及光催化产氢性能

采用水热法制备了氮、硫共掺杂碳量子点(N,S-CQDs),并用超声辅助法合成了N,S-CQDs修饰的Mn_(0.5)Cd_(0.5)S(MCS)复合光催化材料.研究表明,在模拟太阳光照射下,质量分数为1%的N,S-CQDs/MCS的光催化产氢速率显著提高,为34159.25μmol/(g·h),是MCS的1.63倍,是质量分数为1%的CQDs/MCS的1.14倍.此复合物光催化产氢性能的提高主要归因于N,S-CQDs优异的电子迁移能力以及MCS与N,S-CQDs之间的紧密接触.

硫掺杂g-C_(3)N_(4)制备及其光催化产氢性能研究

在“双碳”国家战略背景下,氢能的开发备受关注。石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))因具有制备简便、带隙合适、稳定性高等优势,被认为是一种极具应用前景的产氢光催化剂。然而,在光催化体系中,纯g-C_(3)N_(4)的光生载流子转移速率较慢且易于复合,故其产氢性能通常不佳。本研究创造性地利用硫粉与尿素水溶液间的高温热聚反应,开发出一种简便且高效的硫掺杂g-C_(3)N_(4)合成策略,原位合成了二维硫掺杂g-C_(3)N_(4)纳米片(S-g-C_(3)N_(4)),系统研究了硫掺杂对g-C_(3)N_(4)光电化学性质和光催化产氢性能的影响。结果表明,硫掺杂不仅可有效增强g-C_(3)N_(4)的可见光吸收能力,而且还显著提高g-C_(3)N_(4)的光生载流子分离和转移效率。因此,S-g-C_(3)N_(4)的光催化产氢速率比纯g-C_(3)N_(4)高近10倍。

含氧空位缺陷钨酸铋光催化产氢性能研究

新型半导体光催化剂钨酸铋是目前研究广泛的光催化剂,但因其存在电子-空穴对易复合的问题,使得光催化产氢性能受到限制.为解决这一问题,我们采用锂-乙二胺溶液在钨酸铋表面构筑可控氧空位缺陷.通过材料表征对比了钨酸铋经锂-乙二胺处理前后的变化,并进行产氢性能测试.结果表明:钨酸铋在经过锂-乙二胺处理后产生了氧空位缺陷,材料颜色从原先的黄白色转变为黄棕色,增强了光吸收能力.颗粒的主体结构以及物质成分并未发生变化,仍保持花球状颗粒结构,但处理后钨酸铋颗粒表面原先的光滑的片状结构变得粗糙,且方形纳米薄片锋利边缘变光滑,提高了光催化反应面积.这些变化使锂-乙二胺处理后的钨酸铋光催化产氢性能相比未处理之前得到了一定的提升,其中处理时间为2 min的钨酸铋的平均产氢速率最高,达到21μmol·g^(-1)·h^(-1).相较未处理的钨酸铋平均产氢速率15μmol·g^(-1)·h^(-1)提升了40%,具有更优的光催化制氢性能.

Mxene基多元材料在光催化产氢中的研究进展

近年来,Mxene由于其优秀的导电性、较高的离子迁移率,合适的带隙等等诸多优势,已被广泛应用于诸多领域。在光催化领域,Mxene可作为一种优秀的助催化剂大幅提高光催化剂的性能。介绍了Mxene的主要合成方法及产氢机理,着重介绍了其在光催化产氢领域的发展,并对Mxene材料在光催化领域的发展进行了展望。

Co_(3)ZnC@C促进g-C_(3)N_(4)光催化产氢及其机理

光催化产氢技术是实现太阳能到绿色氢能转化的有效途径,然而其实际应用受到高成本、低效率的限制。本文通过简单的沉淀-煅烧法合成一种独特的碳包覆Co_(3)ZnC纳米颗粒(Co_(3)ZnC@C),将其作为助催化剂,与光催化剂g-C_(3)N_(4)耦合构建新颖的不含贵金属的复合光催化剂Co_(3)ZnC@C/g-C_(3)N_(4),并对其结构和形貌进行表征,对其光催化产氢性能进行研究。实验结果表明:Co_(3)ZnC@C/g-C_(3)N_(4)的光催化产氢速率是纯g-C_(3)N_(4)的109倍,催化产氢速率大幅提高是因为Co_(3)ZnC@C作为助催化剂负载在g-C_(3)N_(4)的表面,能够促进g-C_(3)N_(4)的电荷分离,加快其表面析氢反应速率。该研究拓宽了金属碳化物材料的应用范围,为设计先进的太阳能转换光催化剂提供了新的途径。

等离子体电解氧化法制备多孔TiO_(2)/V_(2)O_(5)复合物膜层及其增强光催化产氢活性

较差的光催化产氢效率极大地阻碍了TiO_(2)光催化剂的工业化应用。为此,本文在含有NH_(4)VO_(3)的磷酸盐溶液中,采用等离子体电解氧化(PEO)法制备了多孔TiO_(2)/V_(2)O_(5)复合膜光催化剂,通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子谱(XPS)和紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)对其组成、结构及光吸收性质进行了表征,并采用气相色谱评价了薄膜催化剂的光催化产氢性能,研究了电解液中NH_(4)VO_(3)含量对膜的结构、组成和光催化产氢性能的影响。结果表明:复合膜催化剂主要由锐钛矿和金红石型TiO_(2)组成,具有微孔结构,V_(2)O_(5)主要以无定形形式存在于膜中,与TiO_(2)有很强的相互作用,影响TiO_(2)的晶面间距。研究发现,元素V抑制了TiO_(2)的结晶和金红石型TiO_(2)的形成,扩大了薄膜的光学吸收范围。针对Na_(2)S+Na_(2)SO_(3)溶液中的光催化产氢性能的研究显示,在质量浓度为1 g/L NH_(4)VO_(3)的电解液中制备的TiO_(2)/V_(2)O_(5)薄膜的光催化活性最高,优于近年来报道的其他光催化剂。光催化重复实验表明,该复合膜催化剂具有较高的稳定性和较为恒定的光催化活性。