生物分級構(gòu)造CdS-Au-TiO2 Z型反應(yīng)光解水體系制備與性能研究.pdf

1、日益枯竭的化石能源和以化石能源為基礎(chǔ)的工業(yè)化造成的污染,使人類對清潔可再生能源要求越來越緊迫。作為清潔能源的代表,太陽能和氫能受到廣泛的關(guān)注。太陽能取之不盡,用之不竭,而利用光催化半導(dǎo)體在太陽光輻照下光催化分解水制取氫氣是實現(xiàn)由太陽能到氫能轉(zhuǎn)化的有效途徑之一。
　　樹葉的光合作用作為人工光合作用的藍本,在反應(yīng)機理上,通過葉綠體中的自然 Z型光合作用反應(yīng)機制實現(xiàn)對太陽能的吸收和轉(zhuǎn)化。在結(jié)構(gòu)上,納米層狀的類囊體堆棧、緣晶狀的表皮細胞、

2、柵欄組織、無規(guī)則海綿組織和多孔葉脈共同構(gòu)成的樹葉分級結(jié)構(gòu)能高效捕獲入射光線。
　　寬帶鳳蝶的黑色蝶翅同樣是通過蝶翅鱗片的周期性結(jié)構(gòu)和色素成分的結(jié)合,實現(xiàn)對陽光的高效吸收利用。其反V型的脊及亞波長的納米孔陣列對光波的散射漫反射作用能降低對光的反射。
　　啟迪于自然光合作用以及黑色蝶翅通過結(jié)構(gòu)和組分的耦合作用高效利用太陽光,本文將人工 Z型光合體系與生物分級結(jié)構(gòu)相結(jié)合,構(gòu)筑生物分級構(gòu)造CdS/Au/TiO2 Z型反應(yīng)光解水體系用

3、于光催化分解水產(chǎn)氫。實驗分別選取了樹葉模板和黑色蝶翅模板合成生物分級結(jié)構(gòu) CdS/Au/TiO2 Z型光解水體系,并比較了不同組分光催化劑的光吸收和光催化分解水產(chǎn)氫效率。本研究的主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.基于天然樹葉有利于光捕獲的分級多孔結(jié)構(gòu)和自然Z型光合作用,以晚櫻樹葉為模板通過浸漬-燒結(jié)法合成了氮自摻雜TiO2(N-TiO2),并以N-TiO2為基體用兩步光化學(xué)沉積法進一步合成樹葉分級結(jié)構(gòu)的CdS/Au/N-TiO2用于光

4、解水產(chǎn)氫。用XRD,EDS和ICP對樣品的成分進行分析,證實得到了由銳鈦礦相TiO2基體、Au和纖鋅礦相的CdS組成的CdS/Au/N-TiO2。用FESEM、TEM和HRTEM對其進行形貌結(jié)構(gòu)觀察,表明N-TiO2復(fù)制了原始樹葉的分級多孔結(jié)構(gòu),且Au和CdS以核殼結(jié)構(gòu)(Au為核,CdS為殼)沉積在N-TiO2基體上。用UV-vis吸收光譜對不同樣品的光吸收性能進行表征,證實與非Z型組分相比,CdS/Au/N-TiO2具有最高的光吸收強

5、度,尤其增強了對可見光的吸收。通過比較不同組分樣品的光解水產(chǎn)氫速率,證實了CdS/Au/N-TiO2 Z型光解水體系與樹葉分級結(jié)構(gòu)的耦合,能大幅提升了光解水產(chǎn)氫效率,在可見光照射條件下將光解水效率提升至Au/N-TiO2的270倍,商業(yè)CdS的5倍。通過比較不同樣品的熒光衰減速率,證實了CdS/Au/N-TiO2這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)能有效抑制光生電子—空穴對的復(fù)合,從而提高光催化效率。
　　2.啟迪于寬帶鳳蝶黑色蝶翅的光學(xué)減反結(jié)構(gòu)和自然Z

6、型光合作用,以黑色蝶翅為模板,將蝶翅結(jié)構(gòu)與CdS/Au/TiO2 Z型光解水體系結(jié)合,通過蝶翅鱗片的孔尺寸和紫外光線波長的耦合及漫反射,進一步提高光催化劑的光捕獲性能和光解水產(chǎn)氫性能。用浸漬燒結(jié)法和兩步光沉積法合成了蝶翅結(jié)構(gòu)CdS/Au/TiO2 Z型光解水催化體系。通過FESEM、TEM對樣品進行形貌觀察,證實了Z型體系和蝶翅結(jié)構(gòu)的良好結(jié)合。利用有限時域差分法(FDTD)模擬計算證實了蝶翅結(jié)構(gòu)TiO2通過反V型脊和蜂窩狀孔陣列的協(xié)同作

7、用來提高整體對光的減反、吸收效率,且在水中蝶翅結(jié)構(gòu)對光的散射漫反射作用更加強烈。紫外可見UV-vis吸收譜和光解水制氫則從實驗上證實了蝶翅結(jié)構(gòu)和Z型光解水體系的耦合對光捕獲和光解水效率的促進作用。
　　與那些僅僅關(guān)注結(jié)構(gòu)優(yōu)化或組分優(yōu)化之一的光解水體系相比,將Z型光解水組分與有利于光捕獲的自然分級結(jié)構(gòu)相耦合無疑是對自然光合作用更加全面的模擬。自然界有如此豐富的生命形式,通過探索自然生物高效利用陽光的結(jié)構(gòu)以及生物化學(xué)反應(yīng)的機理,提取這