基于MOFs构筑非贵金属助催化剂修饰g-C3N4及其光解水制氢性能研究

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本文以不同结构和组分的金属有机骨架化合物(MOFs)为载体/前驱体,经过煅烧、磷化或硫化得到助催化剂或异质结构,修饰氮化碳(g-C3N4),形成一系列复合光催化剂,表征了复合光催化剂的结构、组成,考察了不同助催化剂改性的g-C3N4的光解水析氢性能。主要研究内容概括如下:(1)自组装法在Fe-MOF/Ni(OH)2表面包覆g-C3N4,原位磷化制得Fe2P/Ni2P双金属磷化物,用于修饰g-C3N4,提高其光解水制氢性能。原位磷化包覆g-C3N4的MOFs实现了助催化剂与半导体紧密接触,实现了电子-空穴的有效分离,以MOFs为前驱体制备金属磷化物提高了助催化剂的活性位点,加快了质子还原反应。在Fe2P/Ni2P的协同效应下,所得材料在1.0 mmol L–1伊红(EY)敏化,pH为10,Ni(OH)2含量为7.47%时的产氢速率为13.81 mmol g–1 h–1,量子效率高达48.5%,远远超出单金属Fe、Ni磷化物改性的g-C3N4产氢活度,同时具有较高的循环稳定性。(2)在Ni-MOF表面包覆g-C3N4,高温煅烧-磷化制得碳包覆Ni2P/Ni修饰g-C3N4的复合光催化剂(Ni2P/Ni@C/g-C3N4)。原位形成的碳材料加速了光生电子从EY、g-C3N4到Ni2P/Ni活性位点的转移,在1.0 mmol L–1 EY敏化下材料的产氢速率为18.04 mmol g–1 h–1,是g-C3N4(1.33 mmol g–1 h–1)的13倍,量子效率高达58.1%,同时材料还具有较高的循环稳定性。(3)在Ni-MOF表面包覆g-C3N4,原位硫化-磷化制得C掺杂的Ni3S4/Ni2P助催化剂改性g-C3N4的复合光催化剂。原位磷化Ni3S4,实现了Ni3S4和Ni2P助催化剂的紧密接触,增加了助催化剂的电子转移能力,加快了质子还原反应,使最优条件制备的材料产氢速率在1.0 mmol L–1 EY敏化下高达14.49 mmol g–1 h–1,高于g-C3N4/C@Ni3S4的产氢速率(11.25 mmol g–1 h–1)。(4)以Fe-MOF为载体包覆g-C3N4,煅烧制得Fe2O3/g-C3N4异质结,后原位磷化制得Fe2O3/g-C3N4@Fe2P复合光催化剂,实现三组分的紧密接触,通过形成type II异质结和吸电子助催化剂,加快了电子-空穴的有效分离,降低质子还原反应的过电位。当磷化时间为60 min,在1.0 mmol L–1 EY敏化下,制得的催化剂具有最佳的产氢速率12.03 mmol g–1 h–1(无伊红敏化的速率为1.48 mmol g–1 h–1),大于Fe2O3/g-C3N4的产氢速率(7.64 mmol g–1 h–1)。(5)简单煅烧三聚氰胺盐酸盐改性的蒙脱石(MMT),后混合Ni盐和Co盐高温磷化得到MMT/g-C3N4/NiCoP催化剂。通过煅烧生成g-C3N4和NiCoP,削弱了g-C3N4片的堆积,提高了NiCoP颗粒的分散性。复合MMT提高了伊红的稳定性和电子转移速率,吸电子的NiCoP活性位点加速了质子还原反应,在pH=11,NiCoP含量为15%,1.0 mmol L11 EY敏化下,催化剂具有12.50 mmol g–1 h–1的光解水产氢速率,远高于g-C3N4/NiCoP材料的产氢性能。
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