生物分級(jí)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(duì)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(shí)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(lán)本,在反應(yīng)機(jī)理上,通過葉綠體中的自然 Z型光合作用反應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xì)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(jí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)光波的散射漫反射作用能降低對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)相結(jié)合,構(gòu)筑生物分級(jí)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(shí)驗(yàn)分別選取了樹葉模板和黑色蝶翅模板合成生物分級(jí)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(jí)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(jìn)一步合成樹葉分級(jí)結(jié)構(gòu)的CdS/Au/N-TiO2用于光

4、解水產(chǎn)氫。用XRD,EDS和ICP對(duì)樣品的成分進(jìn)行分析,證實(shí)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(duì)其進(jìn)行形貌結(jié)構(gòu)觀察,表明N-TiO2復(fù)制了原始樹葉的分級(jí)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(duì)不同樣品的光吸收性能進(jìn)行表征,證實(shí)與非Z型組分相比,CdS/Au/N-TiO2具有最高的光吸收強(qiáng)

5、度,尤其增強(qiáng)了對(duì)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(shí)了CdS/Au/N-TiO2 Z型光解水體系與樹葉分級(jí)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(shí)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(duì)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(jìn)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(duì)樣品進(jìn)行形貌觀察,證實(shí)了Z型體系和蝶翅結(jié)構(gòu)的良好結(jié)合。利用有限時(shí)域差分法(FDTD)模擬計(jì)算證實(shí)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(duì)光的減反、吸收效率,且在水中蝶翅結(jié)構(gòu)對(duì)光的散射漫反射作用更加強(qiáng)烈。紫外可見UV-vis吸收譜和光解水制氫則從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了蝶翅結(jié)構(gòu)和Z型光解水體系的耦合對(duì)光捕獲和光解水效率的促進(jìn)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(jí)結(jié)構(gòu)相耦合無疑是對(duì)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(jī)理,提取這