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摘要
使用可再生太阳能将水转化为清洁的氢燃料被认为是解决当前化石能源枯竭和环境污染问题的有效策略之一.然而在传统的光催化分解水反应体系中,由于缓慢的水氧化半反应,整体的析氢效率较低.引入光生空穴牺牲试剂虽然可以在一定程度上提高体系的光催化析氢效率,但同时也造成了光生空穴氧化能力的浪费.近年来,生物质及其衍生物平台分子的光催化选择性氧化引起了人们的广泛关注.其中苯甲醇选择性氧化为苯甲醛是重要的化学反应,产物苯甲醛是一种高附加值的关键中间体,被广泛应用于食品、医药和化妆品行业.基于此,用生物质及其衍生物平台分子代替光生空穴牺牲剂构建一个产氢和有机合成耦合的双功能光催化氧化还原体系,以充分利用光生电子和空穴,同时获得清洁的氢燃料和高附加价值的化学品,为解决上述问题提供了一条理想途径.作为典型的窄带隙(Eg=2.4e V)硫化物半导体, CdS具有合适的带边位置,是一种理想的光催化产氢半导体材料.但CdS由于自身光腐蚀现象严重、光生电子和空穴容易复合等缺点限制了其在光催化产氢领域的应用.WO3因其成本低、稳定性良好和氧化能力优异而被广泛关注.通过构建Z型异质结CdS/WO3复合光催化剂,既有利于分离光生电子和空穴,又能减缓CdS的光腐蚀现象,从而实现高效的光催化析氢和选择性将芳香醇氧化成芳香醛的耦合催化反应.本文采用溶剂热法将CdS纳米颗粒原位生长于WO3纳米片表面,制备了一种新型的直接Z型异质结CdS/WO3复合光催化剂,用于双功能耦合光催化氧化还原体系,同时实现光催化还原析氢和氧化合成芳香醛.结果表明,引入WO3后明显抑制CdS的光腐蚀现象,从而改善了CdS的光催化性能.此外, WO3与CdS之间形成直接Z型异质结构,有效提高光生电子和空穴的分离效率,并保留了光生载流子较强的氧化还原能力.优化后的CdS/WO3复合材料对产氢和芳香醇选择性氧化表现出较好的光催化活性.循环活性实验以及反应前后催化剂的表征结果证明, CdS/WO3复合材料具有良好的光催化稳定性.另外,电子自旋共振光谱技术对反应过程中的自由基中间体进行原位监测,发现以碳为中心的自由基是光催化氧化苯甲醇生成苯甲醛过程中关键的自由基中间体.本文为进一步设计新型高效的双功能光催化氧化还原体系,同时合成清洁太阳能燃料和高附加值的化学品提供启发.
- 出版日期2022
- 单位福州大学
