β-SiC納米線光電催化分解水制氫性能及機理研究.pdf

1、閃鋅礦結構碳化硅(SiC)材料具有合適的帶隙、高的物理化學穩(wěn)定性，耐酸堿腐蝕，且其導帶的氧化-還原電位較負，光生電子的還原能力強，是一種新型光電催化分解水制氫催化劑。近幾年關于碳化硅光電催化性能的研究受到不少科研工作者的關注，取得了一定的進展，但關于SiC表面結構特點、表面設計及澄清其與光催化機理關系，提高其光催化活性仍是該研究方向的難點之一。目前，關于其光催化分解水機理的研究報道較少，光催化機理尚不清楚，分析碳化硅的微結構與表面成分、

2、設計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機理，對于其在光解水制氫領域的實際應用具有重要意義。
　　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

3、構及成分等信息，研究了其光催化分解水性能及光電化學性能，并初步討論了不同表面成分與表面結構SiC納米線光電催化分解水制氫機理，得到的主要結論如下：
　　研究了SiO2/SiC納米線光催化分解水性能及光電化學性能。研究發(fā)現，SiO2包覆層厚度達到10 nm時，SiC納米線產氫速率達到最大為2432μL·g?1·h?1，同時開展了循環(huán)光解水性能測試，反應20 h后產氫量沒有觀察到明顯的減小，說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包覆層厚度達到10 nm時，光電極的電流密度達到最大22 mA?cm-2，是暗室條件下電流密度(8 mA?cm-2)的2.75倍，并且經過600 s光電催化反應后，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，并且在外加電場作用下，光生電子轉移到納米線表面，有效降低了光生電子空穴對的復合率，電子與納米線電極表面的

5、Si-H鍵反應快速生成 H2。因此，具有SiO2/SiC皮芯結構的SiC納米線可以有效地減少光生電子-空穴對的復合，進而增強了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性能。研究發(fā)現，Pt納米顆粒負載量為5.19 wt.％時，SiC納米線產氫速率達到最大為4573μL·g?1·h?1，并開展了循環(huán)光解水性能測試，研究發(fā)現反應20 h后產氫量沒有觀察到明顯的減小，說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負載量為5.19 wt.％時光電極電流密度達到最大45.7 mA?cm-2，是暗室條件下電流密度(28.6 mA?cm-2)的1.6倍，并且經過600 s光電催化反應后，該電極光電催化活性保持穩(wěn)定。對Pt/SiC異質結光解水制氫的機理進行了討論。由于Pt可以有效地捕獲和存儲電子，因此當SiC吸收光子能量激發(fā)產生光生載流子時，光生電子就會從SiC導帶不斷地向Pt遷移，同時在Pt和S

7、iC界面處形成肖特基勢壘，從而實現了光生電子空穴對的有效分離，進而增強了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性能。研究發(fā)現，SnO2納米顆粒負載量為4.92 wt.％時，SiC納米線產氫速率達到最大為6081μL·g?1·h?1，并開展了SiC納米線的循環(huán)光解水性能測試，研究發(fā)現反應20 h后產氫量沒有觀察到明顯的減小，說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納米顆粒負載量為4.92 wt.％時，光電極的電流密度達到最大62.1 mA?cm-2，是暗室條件下電流密度(31.1 mA?cm-2)的2倍，并且經過600 s光電催化反應后，該電極光電催化活性保持穩(wěn)定。對SnO2/SiC異質結光解水制氫的機理進行了討論。由于SiC的導帶位置高于SnO2，SiC導帶中的光生電子會轉移到SnO2的導帶上去，同時SiC的價帶位置低于SnO2，SnO2價帶中的光生空穴會轉移