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钴配合物催化产氢性能研究及光阴极器件组装认领

作者：

孟鹏

学位授予单位：

大连理工大学

摘要：

太阳能是一种可再生的清洁能源,通过各种方式将太阳能应用于人类社会具有重要意义,其中利用太阳能光解水制氢是一种理想的利用途径。由于氢气具有很高的能量密度,被视为一种很有前景的化石燃料的替代品。在过去的十几年中,多组分催化和光电化学池被广泛研究,但产氢效率一直受到各种因素的限制。因此提高催化剂的光催化效率以及寻找高效的转化途径成为光解水催化产氢体系面临的巨大挑战。以此为背景,本论文以两种催化产氢体系为基础,开展了相应的研究工作：(1)以多吡啶钴为催化剂的均相催化体系的研究；(2)以钻肟分子催化剂与CdSe量子点的光阴极功能产氢器件的组装。以非贵金属钴与多吡啶结合的配合物为催化剂,[Ru(bPy)3]2+为光敏剂,抗坏血酸为电子牺牲体构建了均相催化体系,实现了纯水相催化质子还原产氢。通过催化体系的各种条件优化,经过11小时的光照实验,催化剂1 [Co(tpen)](BF4)2{tpen= N',N',N2,N2-tetrakis(pyridinyl-2-methy1)ethane-1,2-diamine}、2 [Co(bztpen)](BF4)2{bztpen= N'-benzyl-N1,N2,N2-tris(pyridinyl-2-methyl)ethane-1,2-diamine}、3 [Co(dbzbpen)](BF4)2{ dbzbpen= N',N2-dibenzyl-N1,N2-bis(pyridinyl-2-methyl)ethane-1,2-diamine}的TON值分别达到639、2078、98,催化剂1和2的光量子效率分别达到0.48%和1.51%。经过长时间的光照,催化体系出现明显的失活现象,研究发现,催化剂和光敏剂作为金属有机配合物,均出现了明显的分解而使体系失活。同时根据电化学实验结果和相应的文献,我们推测了该体系催化反应产氢机理,三联毗啶钌光敏剂激发态的淬灭途径为还原淬灭。将钴肟分子催化剂和巯基乙酸修饰的CdSe量子点光敏剂,通过化学键合的方式吸附到多孔p型NiO的表面,组成光阴极器件,能够实现光驱动催化质子还原产氢。其中CdSe量子点通过SILAR (successive ionic layer adsorption and reaction)法和OIAR(one-pot in situ adsorption and reaction)法两种方式敏化到NiO表面,而使用多孔NiO大大增加了电极的比表面积,提高了光敏剂和催化剂的吸附量。以3 W的LED蓝光灯作为光源,在相对标准氢为0 V的电压下、0.1 M pH 7的中性Na2SO4水溶液中,无论是采用SILAR法还是OIAR法制备的组装器件的光电流密度都能够达到100 μA cm-2以上,效率比文献报道的基于NiO的光阴极提高了4-5倍。在稳定性测试中,我们以OIAR法制备的器件为例,进行了长时间的光照实验,经过1.5 h的光电解水实验,光电流密度仅下降了6%左右,表明所制备的光阴极器件具有较好的稳定性。

摘要译文

关键词：

钴配合物; 三联吡啶钌; 产氢; 光阴极; 多孔氧化镍; 量子点

学位年度：

2015

学位类型：

硕士

学科专业：

应用化学

导师：

王梅

中图分类号：

TQ116.2[氢气];TQ426[催化剂（触媒）]

学科分类号：

081702[化学工艺];080501[材料学];081705[工业催化]