近期关于光催化水解制氢气研究报告综述Word文档格式.docx

1、Abstract：This paper reports the recent developments in photocatalytic water-splitting for hydrogen production. Basing on the following methods to improve the catalytic activity: noble metal loading, ion doping, dye sensitization, composite semiconductors andchemical additives. Combines with the rece

2、nt research results to summarize the developments in those methods.Systematically comparesthe characteristics of the various methods and gives my own opinions. At last, look forward to the future in this area.Key words: TiO2, photocatalytic water-splitting for hydrogen production,photocatalyst modif

3、ication techniques, electron-role, sacrificial reagents, quantum efficiency1972年Fujishima和Honda发现在TiO2电极上光催化分解水的现象，这标志着光能催化利用的研究进入了一个新的阶段。基本原理为：二氧化钛在受到能量相当于或高于它的禁带宽度3.2eV）的光波长小于367nm）辐照时，晶体内的电子受激从价带跃迁到导带，在导带和价带分别形成自由电子和电子空穴，水在这种有极强的氧化还原能力的电子-空穴对的作用下发生电解，生成H2和O2。后来研究发现，在元素周期表过渡区的半导体物质大都具有类似的性质，如CdS、S

4、iC等也被证明有催化活性。三十多年来，随着人们在此基础上的研究不断展开和深入，对各种半导体材料光催化剂特性的认识也不断深入。到目前来说，TiO2凭借其无毒无味、化学结构稳定、光谱响应范围较宽及较为廉价等特性，仍是应用最广的光反应催化剂，在水解制氢及污水/空气净化等领域，都取得了很大的进展。但TiO2较低的催化效率，及其对可见光极低的响应能力，都限制了其应用。人们为了其催化活性的提高，做出了不懈的努力，并且已经得到了多种改善其催化活性的有效方法。近年来，有多项关于新型催化剂改造方法的科研成果发表，给这片科研领域带来了很多惊喜，也给我们带来了更多的启示。提高催化剂活性的方法总体上可以分为两类：“催

5、化剂改性技术”和“化学牺牲剂法”。催化剂改性技术，是指通过各种手段，改造其微观结构，从吸光特性方面提高其催化活性，主要包括：贵金属负载、离子掺混、染色光敏化、复合半导体；化学牺牲剂法，是指通过在反应系统中添加前躯物，作为牺牲剂，直接参与反应，从化学反应动力方面提高能量转化效率，最常用的是直接在反应溶液中添加甲醇、乙醇、EDTA等有机物。1 催化剂改性技术的研究进展1.1 金属负载常用的大多为贵金属，包括Pt、Au、Pd、Rh、Ni、Ru和Ag等，已经被证明对于增强二氧化钛的催化活性很有效。经过浸渍还原、表面溅射等方法可以使这些贵金属形成原子簇沉积在TiO2的表面上。因为这些贵金属的费M尔等级比

6、二氧化钛的低，还原光致电子可以从导带迁移到金属颗粒寄存在二氧化钛的表面，而光致价带空穴仍然留在二氧化钛中。这些特性很大程度的减少了电子-空穴对的简单再复合，从而得到了更高的催化活性，并将光响应扩展到了可见光的范围。Alexia Patsoura使用纯TiO2作为基质含20%的锐钛相和80%的金红石相），用H2PtCl66H2O溶液作为Pt的提供物，得到了0.2wt%Pt/TiO2的催化剂。在473K温度下，300W氙灯制得了3.1wt.%WS2-1wt.%Pt-TiO2催化剂。光照实验的条件为：Na2S作为催化剂，523K的温度环境，350W氙灯光照研究了Cu/TiO2在催化光致水解制氢方面的

7、能力。实验采用常规浸渍法来制备催化剂，得到了Cu/TiO2催化剂。使用高浓度甲醇溶液体积比1:1）作为反应溶液，300W汞灯使用Fe3+作为掺混离子，在可见光条件下取得了很好的效果。其中，1.0wt%Fe3+doped TiO2催化剂，以低浓度甲醇溶液作为反应溶液，在300W氙灯进行了把N和B同时掺混进TiO2中的研究。他们分别研究了N掺混、B掺混及B和N的双掺混，掺混方法为热液合成法，在同样的研究方法下，B、N双掺混的效果最好，在微量Pt负载的情况下，即取得了在300W氙灯、甘油/蔗糖牺牲剂条件下820mol/g.h的制氢产率。其原理为，掺混后提高了催化剂对光的吸附性，且P和N在迁移电子的过

8、程中起了相当大的作用。非金属离子作为掺混物质的研究还比较少见，但在这方面已经取得的成果，足以促使我们去做更多的研究。1.3复合半导体不同的半导体有不同的特性，人们很容易想到将不同的半导体结合在一起，拓展其各自的响应光谱范围，发挥更高效的作用；此外，从微观反应来看，当一个禁带带宽大的半导体和一个禁带宽度小并且有更负的导带的半导体结合时，导带电子可以从小禁带宽度的半导体被注入大禁带带宽的半导体，一定程度上减少了电子、空穴的再复合。一些研究已经表明，将TiO2、CdS等催化剂按正确方法结合起来，能取得更好的效果。So WW（2004利用复合半导体的原理制得了CdS-TiO2催化剂，采用Na2S作为牺

9、牲剂，在可见光将TiO2NTs纳M管状TiO2）与CdSCdS占19.3%）复合在一起进行了研究。复合原料为TiO2NTs、CdCl2、H2S，制得的催化剂摆脱了CdS的不稳定性，又使TiO2继承了CdS催化效率较高的特点，在350W氙灯等人的实验表明，染色物质、PT、TiO2之间存在一个最佳的量的组合，因为在他们的实验中，Pt或者染色质的负载量超过一定值时，制氢效率不会进一步的增强。应通过更多的研究来确定各组分投加量与催化活性的关系。Tianyou Peng（2008，对常见的Pt/TiO2进行了染色处理，染色物质为Ru2（bpy4L1PF6。随后进行的光催化实验，以500氙灯波长大于420

10、nm）作为光源，溶液中添加甲醇作为牺牲剂，取得了874.3mol/g.h的产氢效率。其结果相比于正常的Pt/TiO2的催化效率提高了20-30倍左右。染色光敏化通常在其他改性方法的基础上进行，可以使催化剂的活性得到飞跃式的增强。2 化学牺牲剂法的研究进展根据化学动力学的原理，同水的电荷分离相比，光致电子-空穴对的再复合过程极易实现，因此在纯水中使用TiO2来实现水解制氢是很困难的。有些研究着眼于通过在反应溶液中添加成分来来降低电子、空穴的简单再复合，提高催化效率，这些成分在反应中是不停的消耗的，故称为牺牲剂。有机化合物碳氢化合物）被广泛的用作光催化水解之氢气反应的牺牲剂，因为它们比较容易被价带空穴氧化，作用等同于额外提供了电子做为电子媒介或空穴腐蚀媒介）。牺牲剂和光生价带空穴发生的不可逆反应，可以促进电荷的分离得到更多的光致电子-空穴对，从而得到更高的催化效率。缺点也是很明显的，即必须持续的添加电子提供物来维持制氢反应。牺牲剂可以作为实验条件的一种，一般实验条件包括：牺牲剂、pH、温度、压力、光照等。而以牺牲剂的使用最为重要，因其最为容易实验、效果理想，