光催化制氢中Mo基W基化合物非贵金属助催化剂研究

Using solar energy for photocatalytic H2 evolution is an ideal way to resolve the energy problems and also an important question for discussion in science. The photocatalytic water splitting systems are very complex. It needs to resolve a series of questions in science and technology for obtaining the efficient photocatalytic water splitting system, among which the selection of co-catalyst is a crucial problem. However, the co-catalysts for H2 evolution in the photocatalytic water splitting are mainly noble metals at present. Noble metal co-catalysts result in high cost of photocatalysts with improving the photocatalytic efficiency. This item focuses on the compounds based on Mo and W (nitrides, carbides, phosphides) which in some degree have the noble metal features, as the co-catalysts substituted for the noble metals in photocatalytic water splitting for H2 evolution. It mainly researches the effects of synthesis methods of co-catalysts, assembling methods of photocatalysts, structure matching of co-catalysts and main catalysts (such as: TiO2, CdS, TaON, (Ga1-xZnx)(N1-xOx)) on the photocatalytic activities of water splitting for H2 evolution. It is anticipated to obtain non-metal co-catalysts instead of noble metal co-catalysts with high quality, low cost, environment friendly. This item can provide scientific basis and experiment foundation for the industrialization of photocatalytic water splitting for H2 evolution in the future.

太阳能光催化分解水制氢是人类解决能源问题的一个理想途径，也是科学领域的一个重大课题。光催化分解水反应体系非常复杂，需解决一系列相关的科学问题和技术难题才有可能发展出高效光催化分解水体系。其中，助催化剂就是一个关键的因素。然而，目前光催化分解水体系中产氢助催化剂主要是由贵金属构成。贵金属在有效提高光催化产氢效率的同时也导致光催化剂成本的高昂。本课题集中对具有类贵金属性质的Mo基W基化合物（氮化物、碳化物、磷化物）作为光催化分解水制氢体系中的助催化剂进行研究用以取代贵金属助催化剂。研究助催化剂的合成方法、光催化剂的组装方法、助催化剂和主体光催化剂（例如TiO2、CdS、TaON、(Ga1-xZnx)(N1-xOx)等）结构的匹配关系等对光催化分解水制氢活性的影响，以期获得性能优异、价格低廉、环境友好、可以替代贵金属的非贵金属助催化剂，为未来光催化分解水制氢工业化提供科学依据和实验基础。

光催化制氢体系中常用产氢助催化剂通常是贵金属，贵金属地球含量稀少、成本高。本项目针对此问题，提出开发新型的低成本的Mo基W基化合物非金属助催化剂，用于取代常用的贵金属。. 主要研究内容是：合成一系列的Mo基W基化合物非贵金属材料; 并将其和半导体相复合组装成光催化剂用于光催化产氢; 研究非贵金属助催化剂的催化性能并和贵金属作比较; 研究非贵金属助催化剂的促进产氢作用的原因和机理。. 研究取得的重要结果是：开发了一系列Mo基非贵金属助催化剂，例如：Mo2C、Mo2N、Mo2N/Mo2C、Mo2N/Mo2C/GR、MoP、CoP等，其光催化产氢的催化性能大都普遍比Pt好; 原因是该类助催化剂不仅有催化产氢性能，而且可以储存光生电子，促进了半导体内的电子和空穴的分离，因而提高了光催化产氢活性; 这些结果已经申请了相关专利和发表了相关文章，还有些文章正在撰写中; 该成果具有原创性。. 关键的数据是：（1）Mo2N/CdS的光催化产氢活性是CdS的6倍，略高于Pt/CdS的活性。（2）Mo2C/CdS光催化产氢活性是CdS的10倍，是Pt/CdS的2.3倍。（3）Mo2N/Mo2C/GR/CdS光催化产氢活性是CdS的18倍，是Pt/CdS的3.6倍，并优于所有的贵金属负载的CdS。（4）MoP/CdS光催化产氢活性是CdS的4倍，略低于Pt/CdS的活性。（5）CoP/CdS光催化产氢活性是CdS的7倍，是Pt/CdS的2倍。（6）、CoP/TiO2光催化产氢活性是TiO2的22倍。. 科学意义或应用前景：（1）该项目证明了这一系列的非贵金属助催化剂不仅可以应用于传统的催化加氢脱氢反应中，而且可以应用于光催化制氢反应中。（2）该项目证明了该类助催化剂光催化产氢活性高的原因是，一方面是产氢的催化剂，同时可以储存电子，促进了半导体光生电子和空穴的分离，因而提高了光催化产氢体系的整体效率，这对半导体光催化剂的电子和空穴的分离具有一定的指导意义。（3）该系列的非贵金属助催化剂催化性能大都高于贵金属Pt，因而在今后光催化制氢的实际应用中具有重大的实用价值。