基本信息
- 项目名称：
- Eosin Y/M/SiO2 (M= Pt, Rh, Ru)催化剂可见光催化还原水制氢
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 资源枯竭、环境恶化迫使人们研发清洁、可持续的能源系统。光催化制氢是太阳利用的最佳途径，而构筑高效稳定的可见光还原水体系是必需的。 光敏化引起广泛关注，但有机染料作为光敏剂的研究较少。 光合作用过程中，类囊体膜将氧化反应和还原反应隔离开，抑制逆反应。 选取有机染料Eosin Y为敏化剂和SiO2为吸附基底，构建廉价、高效的可见光诱导制氢反应体系。
- 详细介绍：
- 资源枯竭、环境恶化以及民众的环保意识增强，迫使人们去研发清洁的、安全可靠的、可持续的新能源系统。从能源角度考虑，光催化分解水制氢气和氧气是太阳能光化学转换与储存的最佳途径，是目前国际上可再生能源领域的研究热点之一；而从经济实用角度考虑，构筑高效稳定的可见光光催化分解水体系是必需的。 光敏化作为拓宽体系光响应范围的一种有效措施引起众多学者关注。目前所采用的光敏剂大多是金属络合物，如金属卟啉类化合物、金属酞菁类化合物以及多吡啶基的金属络合物；与之相比，尽管有机染料种类众多、廉价易得、摩尔吸光系数大、化学物理性质容易调控以及容易对其实现有助于评价性质和优化结构的模拟计算，其作为光敏剂的研究相对较少。氧杂蒽(吨)染料，如荧光素及其衍生物，已被证实是一类性能优良的适宜光催化还原水制氢的光敏剂。 光合作用过程中光能的高效吸收、传递和转换及其控制的微观机理十分奇特。人们发现光合作用过程中光能的吸收、传递和转化过程都是在类囊体膜上具有一定分子排列及空间构象的色素蛋白复合体上进行的，类囊体膜将氧化反应和还原反应隔离开，进而抑制发生逆反应。基于此认识，即光敏化过程中产物(或电荷)有效的分离是实现较高光敏化效率所必需的,为了有效地抑制光敏化过程中热力学上更有利的产物(或电荷)的复合，半导体、功能化的胶束、脂质体、微乳、聚电解质、Nafion膜、人造膜以及分子筛等已被用于促进光敏化过程中产物(或电荷)的分离。Willner等利用二氧化硅表面有过剩的负电荷调控光敏化过程中所生成的产物(或电荷)分离以提高光敏效率。我们先前的研究表明，宽禁带载体硅胶、凹凸棒作为染料的吸附基底，利用其带电荷的表面，可通过静电作用调控光敏化过程中带电荷产物的分离，从而提高了光敏化析氢效率。 鉴于此，本文以曙红Y为敏化剂、二氧化硅为染料的吸附基底和三乙醇胺(TEOA)为电子给体，构建了可见光诱导制氢反应体系，详细考察了影响光敏化析氢性能的一些主要因素，如析氢助催化剂、二氧化硅的表面性质、载体和曙红的混合方式以及光照强度。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的:巩固、深化理解所学知识，拓宽视野,培养自学和综合设计能力,提高文献检索、分析整理能力，培养学术论文写作技能，增强就业竞争力。 思路:光催化分解水制氢取得巨大进展，仍面临一些亟待解决的问题，如太阳能利用效率低。光敏化作为拓宽体系光响应范围的一种有效措施引起广泛关注，鉴于此，选取有机染料Eosin Y为敏化剂和SiO2为吸附基底，构建廉价、高效的可见光诱导制氢反应体系。
科学性、先进性及独特之处
- 光合作用过程中类囊体膜将氧化反应和还原反应隔离开，抑制逆反应。 光敏化是一种简单高效的转化和储存太阳能的技术。目前有机染作为光敏剂的研究相对较少。 本文选择廉价、易得的有机染料曙红为敏化剂，以三乙醇胺为模拟污染物，人工模拟光合作用，构建了集污染物降解和制备清洁燃料于一体的新型可见光光催化还原水制氢体系。
应用价值和现实意义
- 资源枯竭、环境恶化以及民众的环保意识增强，迫使人们去研发清洁的、安全可靠的、可持续的新能源系统。光催化分解水制取氢气和氧气是太阳能光化学转换与储存的最佳途径，但是太阳能利用效率低。 本研究尝试构建实验室规模的低成本、高效的可见光光催化分解水制氢体系，以期推动太阳能光化学转化与储存产业化。
学术论文摘要
- 本文人工模拟光合作用，构建了具有较高可见光还原水制氢性能的Eosin Y / M /SiO2 (M= Pt, Rh, Ru)催化体系，详细考察了析氢助催化剂、二氧化硅表面性质、曙红与二氧化硅的混合方式以及光照强度等因素对光敏化催化剂制氢性能的影响。实验结果表明：钌作为析氢助催化剂，析氢速率和表观量子效率可分别高达90 umol•h-1和23.8%；二氧化硅的比表面积增大，析氢速率随之增高；光照强度过高或过低都不利于提高光量子效率；与曙红Y浸渍法吸附在二氧化硅表面制备的催化剂相比，原位物理混合制备的催化剂光敏化析氢速率和稳定性均有显著提高。
获奖情况
- 相关研究成果已被《物理化学学报》(SCI)录用
鉴定结果
- 无
参考文献
- (1)张先付, 沈涛. 化学通报, 1995,No. 6, 8. (2)张晓杰,储国海,李树本.吕功煊.分子催化, 2007, 21, 362. (3)张晓杰，李树本，吕功煊. 分子催化，2010，24，569. (4)张材荣,吴有智,陈玉红,陈宏善. 物理化学学报, 2009, 25, 53 (5) Turro N.J., Barton J.K., et al. Acc. Chem. Res. 1991, 24, 332. (6) Yi X.Y., Wu L.Z., et al. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 9468. (7) Dutta P., et al. Microporous Mesoporous Mater. 2003, 62, 107. (8) Zhang X.J, Jin Z.L, et al.J. Power. Sources 2007, 166, 74. (9) Zhang X.J, et al. J. Colloid Interface Sci. 2009, 333, 285.
同类课题研究水平概述
- 光敏化作为拓宽催化剂光响应范围的一种有效措施引起广泛关注。目前所用的光敏剂大多是金属络合物，与之相比，有机染作为光敏剂的研究相对较少。氧杂蒽染料是一类性能优良的适宜还原水制氢的光敏剂。Jin等人用曙红作敏化剂，二氧化钛作为吸附基底，CuO作为析氢催化剂，表观产氢量子效率可高达5.1% 光合作用过程中光能的高效吸收、传递和转换及其控制的微观机理十分奇特。研究发现光合作用过程中光能的吸收、传递和转化过程都是在类囊体膜上具有一定分子排列及空间构象的色素蛋白复合体上进行的，类囊体膜将氧化反应和还原反应隔离开，从而抑制逆反应，为了有效地利用和储存太阳能，半导体、胶束、脂质体、微乳、聚电解质、Nafion膜、人造膜以及分子筛等已被用于促进光敏化过程中产物（或电荷）的分离。如Lehn等人利用萘醌型载体把光激发硫酸原黄素产生的电子从微孔滤纸支撑的联苯醚人造膜的一端转移到另一端，从而将氧化反应和还原反应隔离开，进而抑制发生逆反应。Calvin等人利用敏化剂和电子传递剂亲水亲油性质，利用脂质体泡囊壁将发生氧化反应和还原反应位置隔离，从而阻止了逆反应。由于二氧化硅表面有过剩的负电荷，Willner等人利用二氧化硅调控光敏化过程中所生成的产物（或电荷）分离以提高光敏效率。
