铋基稀土固溶体光催化剂的协同作用及产氢性能研究

Main target of this project is that we used a sustainable, renewable hydrogen energy as the research object, and make solar energy directly into hydrogen by photocatalytic technology. The main research contents include: photocatalytic water splitting into hydrogen and research on synergistic of Bi/M with solid solutions of Bi1-xMxVO4 (M = La, Sm, Nd, Gd, Eu, Y, Dy) photocatalysts; dual co-catalyst kinds, morphology, preparation methods have influence on efficiency of photocatalytic water splitting for H2 evolution and mechanism in electron-hole separation; the contribution of valence band electrons of Bi6s in bismuth-based rare-earth solid solution; using computer simulation calculation and spectroscopy technology to study band structure and electronic structure. Through this research, we can have deeper understanding on the internal mechanism of rare earth elements, bismuth element synergy and dual cocatalyst for improving the efficiency of photocatalytic water splitting. We also can determine Bi6s play a role in the valence band, and be able to provid reference and guiding significance for band-gap engineering of solid solution to obtain photocatalyst which can completely photocatalytic split water into H2 and O2 and the photocatalytic reaction mechanism.

本项目主要是面向一种可持续，可再生的氢能源为研究对象，通过光催化技术使太阳能直接转化为氢能。主要研究内容包括：固溶体光催化剂Bi1-xMxVO4(M= La, Sm, Nd, Gd, Eu, Y, Dy)中铋元素和稀土元素在光解水制氢中的协同作用研究；双助催化剂种类、形貌及负载方法对光解水制氢效率的影响及在电子空穴分离中的机理；Bi6s电子在铋基稀土固溶体中对价带的贡献；利用计算机理论模拟计算和光谱学技术研究光催化剂的能带结构和电子结构。通过本研究，对稀土元素与铋元素的协同作用和双助催化剂对光解水效率提高的内在机理能有更深层次的理解，能够确定Bi6s电子在价带中所起的作用，并对固溶体调控能带结构获得可以完全分解水产氢产氧的光催化剂和光催化反应机理提供借鉴和指导意义。

本项目主要是面向一种可持续，可再生的氢能源为研究对象，通过光催化技术使太阳能直接转化为氢能。主要研究结果包括：1)通过能带调控，利用聚合络合法制备了固溶体Bi0.5Y0.5VO4 光催化剂，结果表明聚合络合法制备的固溶体能有效地调节其能带结构，达到光解水产氢的导带要求，且此方法制备样品的光催化性能优于传统的高温固相法制备的样品。2) 通过在Bi0.5Dy0.5VO4固溶体中具有优良导电性能的碳材料对固溶体进行改性，由于碳材料以其优良的导电性能促进了电子的有效传输和电荷在催化剂表面的迁移，因此能够有效降低光生电子和空穴的复合几率进而提高了固溶体的产氢性能。3）将贵金属Pd 担载到天然生物材料羊毛上，制备了可循环使用的助催化剂wool-Pd。随后在制备光催化剂CdS 的过程中，加入wool-Pd 得到wool-Pd/CdS光催化剂。实验证明，在可见光的照射下，CdS 的光催化产氢效率大为提高。这是因为在光催化反应过程中，可循环助催化剂wool-Pd 向反应体系中引入了双助催化剂，即氧化助催化剂PdS 和还原助催化剂Pd，它们有效的抑制了光生电子与空穴的复合。4）采用光化学法在模拟太阳光的照射下向含有Cd2+的溶液中加入一定量Na2S2O3·5H2O 直接合成了高效光催化剂Cd/CdS。结果表明，在光催化剂Cd/CdS中，金属单质Cd 作为助催化剂，能够有效的分开光生电子与空穴对，提高了CdS的光催化产氢效率。5) 利用水热法制备了CuS-NiS-P25样品并对其进行了结构、形貌及其光催化性能的测试。结果表明：5 % CuS-5 % NiS-P25在光照下比较稳定，其光解水产氢性能最优，所产生氢气的量是800 μmol/h，且具有较好的稳定性，证明双助催化剂可以有效地分离光生电子-空穴对，进而提高光催化剂的光催化活性。