光催化水解制氢的研究论文

（绿色合成具有优异光解水性能的三元催化剂） 湖南日报·新湖南客户端3月21日讯(通讯员 赵园园)近日，由湘大土木工程与力学学院张平教授、尹久仁教授和丁燕怀教授组成的团队在光解水方面的研究取得了突破性进展，相关成果以“Solid-state, Low-cost and Green Synthesis and Robust Photochemical Hydrogen Evolution Performance of Ternary TiO2/MgTiO3/C Photocatalysts”发表于国际期刊iScience。 该期刊属于Cell的综合性子刊，主要关注自然科学各个领域最前沿的研究工作。杨忠美博士和蒋运鸿博士为论文共同第一作者，丁燕怀教授和张平教授为本文的共同通讯作者(论文链接： )。 （TiO2/MgTiO3/C的低倍TEM图及其不同光照条件下光催化产氢的视频截图） 团队利用一种绿色、低成本方法制备了一种高效三元催化剂TiO2/MgTiO3/C用于光解水产氢，整个制备过程不涉及任何有机溶剂和有毒副产物，其在一个模拟太阳光下产氢效率高达∙h-1∙g-1, 较商品化的P-25 TiO2提高了四倍以上,其在纯可见光下的产氢效率也达到∙h-1∙g-1。光电化学测试结果表明该催化剂在紫外光区的IPCE(the incident photon to charge carrier generation efficiency)效率接近90%，而在400nm~ 470nm的IPCE效率也有较大程度的提高。迄今为止，在已报道的克级制备的同类型催化剂材料中其光催化产氢效率最高，相关成果已经申请发明专利保护。 该研究工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、湖南省教育厅重点项目、湖南省研究生创新基金、力学国家重点学科、化工模拟与增强国家级工程中心的支持和资助。张平教授、尹久仁教授和丁燕怀教授课题组长期从事交叉学科的研究，课题组成员具有力学、材料学、计算模拟等方面的研究背景，近来年课题组成员在Energy & Environmental Science, Nature Communications, Journal of Materials Chemistry A，Nanoscale，Carbon，Journal of Membrane Science和中国科学等知名期刊发表论文20余篇，申报国家专利10余项。 [责编:曹漾] [来源:湖南日报·新湖南客户端]

光催化法制氢半导体TiO2及过渡金属氧化物、层状金属化合物，如K4Nb6O17、K2La2TiO10、Sr2Ta2O7等，以及能利用可见光的催化材料，如CdS、Cu-ZnS等，都能在一定的光照条件下，催化分解水，从而产生氢气。然而到目前为止，利用催化剂光解水的效率还很低，只有1% ～2%。已经研究过的用于光解水的氧化还原催化体系主要有半导体体系和金属配合物体系两种，其中以半导体体系的研究最为深入。 半导体光催化在原理上类似于光电化学池，细小的光半导体颗粒可以被看作是一个个微电极悬浮在水中，他们像光阳极一样在起作用，所不同的是它们之间没有像光电化学池那样被隔开，甚至阴极也被设想是在同一粒子上，水分解成氢气和氧气的反应同时发生。当小于387nm 的紫外光照射到TiO2时，价带上电子吸收能量后发生跃迁到导带，在价带和导带分别产生了空穴与电子，吸附在TiO2的水分子被氧化性很强的空穴氧化成为氧气，同时产生的氢离子在电解液中迁移后被电子还原成为氢气。和光电化学池比较，半导体光催化分解水放氢的反应大大简化，但通过光激发在同一个半导体微粒上产生的电子空穴对极易复合。因此为了抑制氢和氧的逆反应及光激发半导体产生的电子和空穴的再结合，可加入电子给体作为空穴清除剂，以提高放氢效率。废水中许多有机物是良好的电子给体，如果把废水处理与光催化制氢结合起来，可同时实现太阳能制氢和太阳能去污 。工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，提高热能利用率和热功转换效率。为此，必须以热力学基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性；研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发和凝结等相变规律；研究工质特性也是分析某些类型制冷机所必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程，溶解吸收或解吸等物理化学过程，这就又涉及化学热力学方面的基本知识。

近日，《催化学报》在线发表了中国石油大学（北京）戈磊教授团队在光催化解水领域的最新研究成果。该工作报道了结合动力学和热力学对PtPd修饰硫化镉锌纳米棒高效光催化制氢的机理研究。论文第一作者：张临河硕士，论文通讯作者：戈磊教授。02背景介绍双金属合金是目前最有效的共催化剂之一。与单金属纳米粒子相比，双金属纳米粒子由于其独特的微观结构和优良的催化性能而具有巨大的催化潜力。Pt具有较高的功函数和较低的质子还原能力，被认为是最有效的贵金属助催化剂。本课题组研究发现，在氢气生产过程中，PtPd合金作为助催化剂的光催化性能高于Pt。这一现象可以通过PtPd合金的热力学结果来理解，而反应动力学在光催化制氢中也起着重要作用。因此，利用热力学和动力学相结合的方法来研究改进析氢活性的PtPd共催化剂的性质和机理是很有必要的。