β-SiC納米線光電催化分解水制氫性能及機(jī)理研究.pdf

1、閃鋅礦結(jié)構(gòu)碳化硅(SiC)材料具有合適的帶隙、高的物理化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸堿腐蝕，且其導(dǎo)帶的氧化-還原電位較負(fù)，光生電子的還原能力強(qiáng)，是一種新型光電催化分解水制氫催化劑。近幾年關(guān)于碳化硅光電催化性能的研究受到不少科研工作者的關(guān)注，取得了一定的進(jìn)展，但關(guān)于SiC表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、表面設(shè)計(jì)及澄清其與光催化機(jī)理關(guān)系，提高其光催化活性仍是該研究方向的難點(diǎn)之一。目前，關(guān)于其光催化分解水機(jī)理的研究報(bào)道較少，光催化機(jī)理尚不清楚，分析碳化硅的微結(jié)構(gòu)與表面成分、

2、設(shè)計(jì)合成具有較高光催化分解水性能的SiC催化劑，澄清SiC光催化分解水制氫的反應(yīng)機(jī)理，對(duì)于其在光解水制氫領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
　　本文采用碳熱還原法制備了β-SiC納米線；采用氫氟酸腐蝕法和高溫氧化法獲得了具有不同厚度的SiO2包覆層的SiC納米線；同時(shí)采用水熱合成法分別制備了Pt/SiC納米線和SnO2/SiC納米線。采用X射線衍射儀、高分辨透射電鏡、傅里葉變換紅外光譜和X射線光電子能譜等表征方法分析了納米線的形貌、微結(jié)

3、構(gòu)及成分等信息，研究了其光催化分解水性能及光電化學(xué)性能，并初步討論了不同表面成分與表面結(jié)構(gòu)SiC納米線光電催化分解水制氫機(jī)理，得到的主要結(jié)論如下：
　　研究了SiO2/SiC納米線光催化分解水性能及光電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，SiO2包覆層厚度達(dá)到10 nm時(shí)，SiC納米線產(chǎn)氫速率達(dá)到最大為2432μL·g?1·h?1，同時(shí)開(kāi)展了循環(huán)光解水性能測(cè)試，反應(yīng)20 h后產(chǎn)氫量沒(méi)有觀察到明顯的減小，說(shuō)明該催化劑具有非常高的穩(wěn)定性。從光電流-電

4、壓曲線可以看出，在外加電壓0.6 V下，SiO2包覆層厚度達(dá)到10 nm時(shí)，光電極的電流密度達(dá)到最大22 mA?cm-2，是暗室條件下電流密度(8 mA?cm-2)的2.75倍，并且經(jīng)過(guò)600 s光電催化反應(yīng)后，該電極光電催化活性保持穩(wěn)定。闡述了SiO2/SiC納米線光電催化分解水制氫過(guò)程。由于SiO2包覆層的存在可以有效地捕獲電子，并且在外加電場(chǎng)作用下，光生電子轉(zhuǎn)移到納米線表面，有效降低了光生電子空穴對(duì)的復(fù)合率，電子與納米線電極表面的

5、Si-H鍵反應(yīng)快速生成 H2。因此，具有SiO2/SiC皮芯結(jié)構(gòu)的SiC納米線可以有效地減少光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，進(jìn)而增強(qiáng)了SiC納米線的光解水制氫活性。
　　研究了Pt/SiC納米線的光催化分解水性能及光電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，Pt納米顆粒負(fù)載量為5.19 wt.％時(shí)，SiC納米線產(chǎn)氫速率達(dá)到最大為4573μL·g?1·h?1，并開(kāi)展了循環(huán)光解水性能測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)20 h后產(chǎn)氫量沒(méi)有觀察到明顯的減小，說(shuō)明該催化劑具有高的穩(wěn)定

6、性。從光電流-電壓曲線以看出，在外加電壓0.6 V下，Pt負(fù)載量為5.19 wt.％時(shí)光電極電流密度達(dá)到最大45.7 mA?cm-2，是暗室條件下電流密度(28.6 mA?cm-2)的1.6倍，并且經(jīng)過(guò)600 s光電催化反應(yīng)后，該電極光電催化活性保持穩(wěn)定。對(duì)Pt/SiC異質(zhì)結(jié)光解水制氫的機(jī)理進(jìn)行了討論。由于Pt可以有效地捕獲和存儲(chǔ)電子，因此當(dāng)SiC吸收光子能量激發(fā)產(chǎn)生光生載流子時(shí)，光生電子就會(huì)從SiC導(dǎo)帶不斷地向Pt遷移，同時(shí)在Pt和S

7、iC界面處形成肖特基勢(shì)壘，從而實(shí)現(xiàn)了光生電子空穴對(duì)的有效分離，進(jìn)而增強(qiáng)了SiC納米線的光解水制氫活性。
　　研究了SnO2/SiC納米線的光催化分解水性能及光電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，SnO2納米顆粒負(fù)載量為4.92 wt.％時(shí)，SiC納米線產(chǎn)氫速率達(dá)到最大為6081μL·g?1·h?1，并開(kāi)展了SiC納米線的循環(huán)光解水性能測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)20 h后產(chǎn)氫量沒(méi)有觀察到明顯的減小，說(shuō)明該催化劑具有非常高的穩(wěn)定性。從光電流-電壓曲線以看出

8、，在外加電壓0.6 V下，SnO2納米顆粒負(fù)載量為4.92 wt.％時(shí)，光電極的電流密度達(dá)到最大62.1 mA?cm-2，是暗室條件下電流密度(31.1 mA?cm-2)的2倍，并且經(jīng)過(guò)600 s光電催化反應(yīng)后，該電極光電催化活性保持穩(wěn)定。對(duì)SnO2/SiC異質(zhì)結(jié)光解水制氫的機(jī)理進(jìn)行了討論。由于SiC的導(dǎo)帶位置高于SnO2，SiC導(dǎo)帶中的光生電子會(huì)轉(zhuǎn)移到SnO2的導(dǎo)帶上去，同時(shí)SiC的價(jià)帶位置低于SnO2，SnO2價(jià)帶中的光生空穴會(huì)轉(zhuǎn)移