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氢气被公认为未来理想的能源。半导体光解水制氢是一种新型的具有低成本和环境友好等优点的方法,对未来制氢工业具有重要的意义。半导体TiO<,2>相对于其它半导体具有稳定、耐腐蚀、环境友好等优点。但以TiO<,2>为半导体利用太阳能进行光解水制氢时,因TiO<,2>只能吸收占地表太阳光能量仅4%左右的紫外光,而不能吸收地表太阳光中的主要成分可见光,因此,对太阳能的利用效率非常低.本文以自制的纳米TiO<,2>负载Pt并用酞菁染料敏化得到的产物为可见光催化剂,进行了光催化分解水制氢的研究,并成功实现了可见光分解水制氢。
采用溶胶凝胶法(S-G)以钛酸四丁酯作为前驱物,乙醇作为溶剂以及硝酸作为抑制剂制取纳米TiO<,2>。探讨了钛酸四丁酯的浓度和陈化时间等制备工艺条件对TiO<,2>粒径的影响。结果表明,在室温环境下,最佳的制备工艺条件为钛酸四丁酯:水:硝酸:乙醇的质量比为8:25:3:44,搅拌时间为5小时,陈化时间为3天,所得到纳米TiO<,2>溶胶的平均粒径约在10nm以下,粒径分布在5~40nm。对制得的TiO<,2>粉体进行了X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征。结果表明,TiO<,2>粉体粒径处在纳米级,为单一的锐钛矿型,其晶胞粒径为9.9 nm。
将自制的锐钛矿型TiO<,2>进行Pt负载得到了Pt/TiO<,2>,用酞菁铜四磺酸四钠敏化Pt/TiO<,2>得到光催化剂CuPe(SO<,3>Na)4/Pt/TiO<,2>。对Pt/TiO<,2>进行XPS表征,结果表明分散于TiO<,2>表面的Pt晶粒是以Pt<0>价态存在.对Pt/TiO<,2>和CuPc(SO<,3>Na)4/Pt/TiO<,2>进行了X射线衍射分析(XRD)和扫描电子显微镜分析(SEM),结果表明,TiO<,2>经负载Pt、焙烧、染料敏化、烘干等过程晶型无变化;TiO<,2>经负载Pt、焙烧过程后,晶胞粒径增大,为17.3nm;Pt/TiO<,2>经染料敏化、烘干过程后,TiO<,2>的晶胞粒径几乎没变。对TiO<,2>和CuPc(SO<,3>Na)4/Pt/TiO<,2>粒子进行DRS表征,结果表明TiO<,2>粒子吸收光的范围在300~400nm,主要在紫外光区,在可见光区几乎没有吸收,而CuPc(SO<,3>Na)4/Pt/TiO<,2>在600~700nm 的可见光范围内存在明显的吸收,表明酞菁铜四磺酸四纳敏化能有效将TiO<,2>的吸收光谱拓展至可见光区。
以CuPe(SO<,3>Na)4/Pt/TiO<,2>为光催化剂,在可见光源下进行了光解水制氢反应性能的研究,探讨了光催化剂、Pt负载、染料以及给电子体用量等因素对产氢速率的影响.结果表明,光催化剂中Pt负载质量百分数为0.4%和酞菁铜四磺酸四钠的质量百分数为0.2%,给电子体KI的浓度为0.2 mol/L,光催化剂用量为0.8g/L时,光解水产氢速率最高,为1.4 μmol/h。