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        基于可見光催化分解水制氫的物理化學(xué)綜合實驗設(shè)計

        2016-11-01 06:20:00劉鋼朱萬春
        大學(xué)化學(xué) 2016年9期
        關(guān)鍵詞:催化劑實驗

        劉鋼 朱萬春

        (吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院,長春 130012)

        基于可見光催化分解水制氫的物理化學(xué)綜合實驗設(shè)計

        劉鋼*朱萬春

        (吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院,長春130012)

        將可見光催化分解水制氫引入物理化學(xué)綜合實驗,系統(tǒng)介紹了催化劑制備、表征及光催化反應(yīng)性能評價等實驗內(nèi)容。以無毒、易制備的g-C3N4作為實驗用可見光催化劑,考查了制備溫度對催化劑的結(jié)構(gòu)及光催化性能的影響。

        物理化學(xué)實驗;光催化;分解水制氫;g-C3N4

        利用太陽能分解水制氫是基礎(chǔ)研究的前沿課題[1-4]。它在能源和環(huán)境領(lǐng)域的重要科學(xué)意義一直受到化學(xué)、材料等很多學(xué)科師生的關(guān)注。該實驗屬于物理化學(xué)的光催化范疇,具有很強的綜合性,囊括了無機制備化學(xué)、儀器分析、催化化學(xué)、半導(dǎo)體物理等多方面的專業(yè)知識。將太陽能分解水制氫反應(yīng)引入物理化學(xué)綜合實驗,既有利于創(chuàng)新綜合實驗的內(nèi)容、提升實驗教學(xué)水平,同時也有利于激發(fā)高年級本科生的研究興趣、培養(yǎng)他們的綜合實驗技能,為他們順利進入研究生階段學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。

        從貼近科技前沿的角度考慮,基于可見光的催化分解水實驗更具有實際意義,也更能滿足求知欲強烈的高年級本科生。這主要是由于太陽能中紫外光的能量大約占4%,可見光能量占43%,因此開發(fā)可見光響應(yīng)的催化劑一直是光催化科研領(lǐng)域的研究熱點[5-7]。但在大學(xué)實驗設(shè)計方面,與TiO2等紫外光響應(yīng)的催化劑相比,可見光響應(yīng)的光催化劑的選擇較為困難,一方面是由于這類催化劑的制備條件苛刻,一般須較為嚴格地控制氮化或硫化條件[8,9],對于僅接受過基礎(chǔ)實驗訓(xùn)練的本科學(xué)生,實驗的可重復(fù)性存在一定挑戰(zhàn);另一方面,很多可見光響應(yīng)的催化劑(如CdS)具有毒性,催化劑制備和使用過程中存在一定安全隱患[10-12]。因此,從可操作性和安全性考慮,選擇合適的可見光響應(yīng)光催化劑是成功引入該實驗的關(guān)鍵。

        石墨型氮化碳(g-C3N4)是一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料,帶隙寬度2.7 eV左右,可吸收可見光;近期人們發(fā)現(xiàn)g-C3N4可作為有效的光催化劑用于可見光催化分解水制氫反應(yīng)[13-16]。g-C3N4幾乎沒有毒性,它的制備方法之一是可以通過簡單的三聚氰胺熱聚合的方法制備[17,18],該過程的可操作性強,催化劑的重復(fù)性好,是理想的實驗教學(xué)用催化劑。本文以g-C3N4為光催化劑開展可見光分解水制氫的物理化學(xué)綜合實驗設(shè)計,從催化劑制備、表征和反應(yīng)性能評價多個環(huán)節(jié)進行詳細介紹,希望能夠為可見光分解水制氫在物理化學(xué)綜合實驗中的推廣提供借鑒。

        1 實驗?zāi)康?/h2>

        (1)了解光催化分解水制氫的基本原理;

        (2)學(xué)習(xí)利用X射線衍射儀、紫外-可見吸收光譜儀、掃描電子顯微鏡和氮吸附儀等表征物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu);

        (3)學(xué)習(xí)光催化分解水制氫反應(yīng)的基本操作;

        (4)掌握文獻檢索方法,學(xué)習(xí)系統(tǒng)分析實驗結(jié)果和科技論文寫作。

        2 實驗原理

        半導(dǎo)體是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的固體,其最高占據(jù)軌道(HOMO)相互作用形成價帶(VB),最低未占據(jù)軌道(LUMO)相互作用形成導(dǎo)帶(CB)[2,3]。對于本征半導(dǎo)體,價帶頂和導(dǎo)帶底之間的帶隙不存在電子狀態(tài),這種帶隙稱為禁帶,其寬度稱為禁帶寬度(用Eg表示)。當(dāng)以光子能量高于半導(dǎo)體禁帶寬度的光照射半導(dǎo)體時,半導(dǎo)體的價帶電子發(fā)生帶間躍遷,從價帶躍遷至導(dǎo)帶,在導(dǎo)帶產(chǎn)生電子(e),在價帶生成空穴(h)。光生電子和空穴因庫侖相互作用被束縛形成電子-空穴對,這種電子-空穴對根據(jù)其能量具有一定的氧化和還原能力。當(dāng)電子遷移到光催化劑表面被捕獲后,在適合的條件下會與相鄰的介質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng);而空穴則會與相鄰的介質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)?;驹砣鐖D1所示。

        圖1 半導(dǎo)體催化劑光催化產(chǎn)氫原理

        從熱力學(xué)的角度考慮,理論上分解純水的半導(dǎo)體的禁帶寬度要大于1.23 eV[2,3]。但除此之外,實際上還有電子-空穴傳輸、反應(yīng)活性位構(gòu)建、反應(yīng)物吸附、產(chǎn)物脫附等多方面的要求。首先,半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶位置必須與水的還原及氧化電位相匹配。構(gòu)成半導(dǎo)體導(dǎo)帶的最上層能級必須比水的還原電位(φ(H+/H2)=0,標(biāo)準氫電極)更負,而構(gòu)成半導(dǎo)體價帶的最下層能級必須比水的氧化電位(φ(H2O/O2)=+1.23 eV,標(biāo)準氫電極)更正,這樣電子和空穴才具有足夠的能力進行還原和氧化水的反應(yīng)。

        石墨型氮化碳(g-C3N4)是一種以三嗪環(huán)為基本結(jié)構(gòu)單元的層狀化合物,氮和碳交替排列,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。它的價帶由N2P軌道組成、導(dǎo)帶由C2P軌道組成,帶隙寬度約為2.7 eV,可吸收可見光;導(dǎo)帶底大約為-1.4 eV,價帶頂為+1.3 eV,在熱力學(xué)滿足分解水的要求。

        3 實驗儀器和藥品

        3.1實驗儀器

        馬弗爐,光催化反應(yīng)裝置,X射線衍射儀,紫外-可見吸收光譜儀,掃描電子顯微鏡,氮吸附儀。

        3.2實驗藥品

        三聚氰胺,氯鉑酸,乙醇。所用試劑均為分析純,使用之前未進行純化處理。

        4 實驗步驟

        4.1催化劑制備

        分別稱取一定量三聚氰胺于兩個坩堝中,將坩堝蓋密閉后放置于馬弗爐中,以10°C·min-1的升溫速率分別升溫至500和650°C并保持30 min,自然冷卻至室溫,即制得g-C3N4,樣品分別記為C3N4-500和C3N4-650。

        4.2催化劑表征

        X射線粉末衍射(XRD)采用Rigaku Rotaflex Ru-200 B型X射線衍射儀測定。CuKα射線源,λ=0.15418 nm,工作電流為100 mA,加速電壓為40 kV,掃描角度范圍為10°-80°,掃描速度為5(°)·min-1。紫外-可見漫反射吸收光譜在JASCO-V550型紫外可見漫反射光譜儀上進行,配備固體樣品表征的積分球裝置。采集速度為100nm·min-1,采集步長為5nm。SEM測試在Quanta200FEG掃描電子顯微鏡上進行。樣品的比表面積(BET)在麥克公司(Micromeritics)的全自動氮吸附儀ASAP2010上進行測定。樣品在100°C進行真空脫氣處理3h,采用氮氣吸附法于77K下測定。比表面積的計算采用BET方程。

        4.3光催化反應(yīng)評價

        光催化反應(yīng)裝置示意圖如圖2所示。該反應(yīng)裝置由光源、反應(yīng)器、氣體循環(huán)取樣系統(tǒng)和在線色譜組成,并配有真空泵和循環(huán)冷卻等輔助設(shè)備。

        圖2 光催化反應(yīng)裝置示意圖

        反應(yīng)光源為中教金源公司生產(chǎn)的氙燈,氙燈功率為300 W,工作電壓為100 V,電流為20 A。通過加入濾光片(λ>420 nm)可使波長大于420 nm的光進入到反應(yīng)器中。反應(yīng)器為頂照式派瑞克斯玻璃反應(yīng)器,體積大約為500 mL。該反應(yīng)器采用盛有水的紅外過濾器過濾掉氙燈產(chǎn)生的紅外光,屏蔽紅外光產(chǎn)生的熱量效應(yīng),且可使波長大于300 nm的紫外和可見光通過。反應(yīng)器底部配有循環(huán)冷卻水套,使光催化反應(yīng)在13-18°C下進行。

        進行反應(yīng)前,將反應(yīng)溶液、光催化劑及助劑前驅(qū)物加入反應(yīng)器中,采用超聲及磁力攪拌將催化劑高度分散在反應(yīng)液中。然后將反應(yīng)器和氣體循環(huán)取樣系統(tǒng)連接,對系統(tǒng)進行抽真空處理,除去系統(tǒng)中的空氣。接著采用氙燈光照,進行光催化制氫反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體采用在線氣相色譜儀檢測。氣相色譜儀為Shimazu-GC8A型氣相色譜儀,載氣為Ar氣,色譜柱為5A分子篩填充柱。該色譜儀配備熱導(dǎo)(TCD)檢測器,可用來檢測氫氣的含量,熱導(dǎo)檢測器工作池電流為60 mA。

        反應(yīng)中g(shù)-C3N4催化劑的用量為0.1 g,100 mL反應(yīng)液中加入20%(體積分數(shù))乙醇,乙醇起到犧牲試劑的作用,可以消耗半導(dǎo)體在光激發(fā)下所產(chǎn)生的空穴,使電子有更長的壽命用于產(chǎn)氫。反應(yīng)液中加入痕量的氯鉑酸溶液,其用量(以Pt計)為催化劑用量的0.1%(質(zhì)量分數(shù)),即1×10-4g;氯鉑酸在光催化反應(yīng)中被半導(dǎo)體受光激發(fā)所產(chǎn)生的電子原位還原成Pt,Pt在反應(yīng)中起到助催化劑的作用,一方面是產(chǎn)氫的主要活性位,另一方面Pt可以有效地捕獲電子,這一過程可以進一步提高電子-空穴的分離效率。

        5 實驗結(jié)果分析與討論

        5.1催化劑的制備與表征

        由圖3的XRD譜圖可見,C3N4-500和C3N4-650樣品在13.1°和27.3°附近出現(xiàn)兩個較為明顯的衍射信號,可歸屬為芳環(huán)系列的層間堆疊結(jié)構(gòu)的衍射信號,表明兩個樣品中存在明顯的石墨層狀結(jié)構(gòu);其中27.3°對應(yīng)于石墨相材料的(002)面,計算獲得的層間距約為0.32 nm。C3N4-650衍射峰的強度較C3N4-500略有增加,表明高溫制備的樣品晶化程度略有增加。

        圖4給出了C3N4-500和C3N4-650樣品的SEM照片,兩個樣品的形貌基本相同。氮吸附結(jié)果顯示,C3N4-500和C3N4-650的比表面積分別為7.6 m2·g-1和39.5 m2·g-1。圖5的UV-Vis結(jié)果顯示C3N4-500樣品在460 nm附近有一個較為陡峭的吸收帶邊,對應(yīng)樣品的帶隙寬度約為2.7 eV;而C3N4-650樣品中,存在明顯的缺陷吸收信號,位于500 nm左右[19],這很可能是由于在較高的制備溫度下,C3N4的聚合結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的破壞,形成一定量缺陷所導(dǎo)致的。

        圖3 不同焙燒溫度制備樣品的XRD譜圖

        圖4 不同焙燒溫度制備樣品的SEM照片

        圖5 不同焙燒溫度制備樣品的UV-Vis譜圖

        5.2光催化性能評價

        圖6給出了C3N4-500和C3N4-650樣品的光催化反應(yīng)結(jié)果,從圖中可以看出,兩個催化劑上的產(chǎn)氫量隨著反應(yīng)時間的增加而增加,C3N4-500的產(chǎn)氫活性明顯高于C3N4-650,C3N4-500的產(chǎn)氫速率約為6.7 μmol·h-1。兩個催化劑活性上的差異很可能與其本身的缺陷數(shù)量有關(guān),由UV-Vis譜圖可知,C3N4-650中缺陷數(shù)量較多,這些缺陷是電子-空穴的復(fù)合中心,光生電荷遷移過程中在這里發(fā)生猝滅,無法參與催化過程。而C3N4-500缺陷數(shù)量少,更多的光生電子遷移到催化劑表面,參與到氫還原過程中,實現(xiàn)相對較高的產(chǎn)氫速率。

        圖6 不同焙燒溫度制備樣品的可見光催化制氫性能

        6 實驗注意事項

        (1)三聚氰胺在升溫過程中易于升華,應(yīng)注意容器的密閉;

        (2)應(yīng)采用鋁箔遮擋氙燈和反應(yīng)器,避免光散射;

        (3)實驗應(yīng)配備專用遮光護目鏡,氙燈點亮后,任何與反應(yīng)有關(guān)的操作均需佩戴護目鏡,以免灼傷眼睛。

        7 實驗運行模式與內(nèi)容的建議

        本實驗可以采取綜合開放的模式,將材料制備、表征、光催化性能測試融為一體。以光催化分解水制氫作為主題,布置學(xué)生查閱文獻資料,了解相關(guān)科研領(lǐng)域的最新研究進展,引導(dǎo)學(xué)生制定研究內(nèi)容、設(shè)計實驗方案;然后在教師的指導(dǎo)下,由學(xué)生獨立完成實驗。

        本文主要考查了焙燒溫度對g-C3N4晶相、形貌、吸光性質(zhì)以及光催化性能的影響,在實際開設(shè)實驗時,可對具體內(nèi)容進一步拓展,根據(jù)學(xué)生的興趣和學(xué)時在以下范圍內(nèi)靈活選擇:

        (1)采用除焙燒以外其他制備方法制備g-C3N4催化劑,并考查其性能;

        (2)制備具有不同孔道結(jié)構(gòu)的g-C3N4催化劑,提高其比表面積,考查其對催化性能的影響;

        (3)考查影響光催化性能的一些技術(shù)參數(shù),比如催化劑的用量、助催化劑的種類和數(shù)量等。

        8 總結(jié)

        通過本實驗,可使學(xué)生了解和掌握光催化劑的制備、基本表征和光催化性能研究的方法,以及相關(guān)的基本概念和理論;使學(xué)生對材料、能源等熱點領(lǐng)域與化學(xué)的相關(guān)性有所了解,培養(yǎng)學(xué)生查閱資料、設(shè)計實驗方案、綜合分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新精神。將能源光催化引入物理化學(xué)實驗可以進一步創(chuàng)新物理化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容,填補物理化學(xué)實驗中光化學(xué)前沿課題實驗的欠缺。

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        Design of a Comprehensive Physicochemial Experiment Based on Visible-Light-Driven Water Splitting for Hydrogen

        LIU Gang*ZHU Wan-Chun
        (College of Chemistry,Jilin University,Changchun 130012,P.R.China)

        The experiment of visible-light-driven water splitting for hydrogen was set up as a comprehensive physicochemical experiment.The preparation,characterization and photocatalytic test of photocatalyst were systematically reported.g-C3N4was used as a photocatalyst in the experiment because it can be easily prepared and has nontoxicity,as well as visible-light-response properties.The effects of preparation temperature of g-C3N4on its structure and photocatalytic performance were investigated.

        Physicochemical experiment;Photocatalysis;Water splitting for hydrogen;g-C3N4

        O643;G64

        10.3866/PKU.DXHX201601020

        ,Email:lgang@jlu.edu.cn

        吉林省科技發(fā)展計劃(20130101014JC);國家自然科學(xué)基金(21473073)

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