以凹凸棒石为模版介孔c3n4的合成及其光电性能的研究(附件)
寻找效率高又成本低的产氢光催化剂是当前光解水产氢的主要研究方向。凹凸棒石是一种富铝镁硅酸盐矿物，结构为纤维状晶体，单晶长约为1~5μm，直径约为20~70nm，因为其表面存在硅氧键，以其为模板，经过碱浸处理，既可以简化合成步骤，又能够减少在合成模板时大量有机溶剂的使用，同时还可以提高光的利用率。为了更好地将光能转化为化学能，本课题先以含有介孔二氧化硅球层的实心二氧化硅球为模板，然后以二氰胺为原料在其表面负载C3N4，成功合成C3N4后再将这种方法应用于以凹凸棒石为模板合成纤维棒状的C3N4，并对其进行光电性能的研究。关键词 光解水产氢，凹凸棒石，纳米光催化剂，氮化碳
目 录
1 绪论 1
1.1 光催化制氢 2
1.2 介孔纳米材料 5
1.3 简述非金属半导体材料石墨相氮化碳 7
1.4 课题指导思想和研究目的 8
2 实验部分 9
2.1 实验药品及仪器 9
2.2 实验步骤及流程 9
2.3 样品表征与性能测试 12
3 结果与讨论 12
3.1 对二氧化硅模板的表征 12
3.2 对二氧化硅合成的C3N4样品的表征 14
3.3 对二氧化硅/凹土模板的表征 18
3.4 对二氧化硅/凹土模板合成的样品的表征 19
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
1 绪论
能源，不论是古今中外，都是不可或缺的重要资源。它与人类的生活息息相关，而且与整个世界的经济发展也有着莫大的关系，但是能源储量分配不均也造成了许多问题，例如，叙利亚等地长年硝烟弥漫。如今，社会在不断快速发展，也因此，传统的化石能源如煤、石油、天然气的消耗急剧增加。随着世界人口的不断增多，经济发展对能源的需求量增大，世界各地的储藏能源日益减少，环境污染越来越严重，国民经济发展对能源的需要已经不能满足。在此情景下，中国迫切地需要转型新能源来解决当前困境，同时也减少温室气体排放，从而减少环境污染，真正意义上地实现习总书记所说的：“宁愿绿水青山，不要金山银山，建设环境友好型国家”[1]。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
为了解决能源危机与环境污染这两大问题，我们迫切需要将目光投注于新型能源。风能、水能、地热能、潮汐能、生物质[2]能等都比传统的非可再生能源更加环保，但是大部分传统的可再生能源提供的能量有限，使用范围小，会受到部分客观因素的限制。氢能作为一种可持续发展的新型能源，危险小、零污染、储量足、使用率高，发展前景不可估量。众所周知，太阳围着地球旋转，故而，太阳能资源既便于使用，又无需花费费用，光催化分解水制氢，可以将太阳能转化为化学能[3]。利用太阳能光催化分解水制取清洁、可再生的氢能源，不仅可以缓解能源短缺的问题，还能减少环境污染，是较为经济合理的制氢方法。
氢能这种新型能源，目前已被广泛知晓，但在实际应用中却依然存在一些困难。 氢气是一种常见并广泛应用的工业气体，可有不同的制备方式：电解制氢法、水煤气转化法、烃类裂解法、副产物提纯处理法[4]。例如：用玉米来发酵酿酒的过程中发酵罐的废气中含有氢气，可以通过提纯来获取。但是传统的氢气制备方法使用的能源主要来自化石能源，但是化石能源存量有限且环境污染较为严重，损耗大、效率低。当前，如何制造效率高、操作简单、污染少、价格低的制氢方法是氢能大规模推广以及应用的瓶颈所在。太阳能光催化[5]分解水来制取清洁、可再生的氢能源，不仅可缓解能源短缺的问题，而且能减少环境污染，是较为经济合理的制氢方法。
跨入了新时代，纳米半导体材料光催化技术也在迅猛发展。纳米半导体光催化剂的光催化性能很高。通过科学家们对纳米光催化剂的制备技术得不断改进，现如今，纳米材料较以往粒径更小，比表面积更大，制备难度越发降低、同时也更加廉价稳定[6]。当前，高量子效率、高可见光利用率、高稳定性而价格低廉的产氢光催化剂的设计和构筑将是光解水产氢的研究热点。
1.1 光催化制氢
早期较为成熟的制氢技术是利用传统化石燃料制氢，生产已经规模化，但其存在许多缺点。一是原材料属于不可再生能源，而是反应过程耗能大，三是生产过程会产生污染。生物质制氢也可以用来替代不可再生资源来制氢，这种方法主要是通过厌氧菌可以进行化能合成反应，或利用光合菌具有光能合成的作用，它可以通过这些反应将有机物转化为氢气和二氧化碳[7]。但是这种方法不能长时间稳定运行，因而效果也不太理想。这种情况下，光催化分解水制氢是大势所趋。
1.1.1 光催化产氢研究
20世纪70年代，日本科学家Fujishima和Honda[8]等人在著名学术期刊《Nature》上发表了他们的研究成果：他们将Ti02电极在紫外可见光下照射，发现水能够分解成H2和O2。这代表着他们首次实现了光电催化分解水制氢，同时这一现象也能够阐述半导体材料Ti02电极反应的原理。氢热值很高，是相同质量汽油的2.7倍[9]，而且清洁，所以此现象的发现非常有益，因为它既能够利用地球上储量丰富的太阳能，又能够避免使用化石能源而产生的环境污染，为光催化制取氢气建立起夯实的基石，同时也让科学家们广泛地散发思维，运用太阳能制取H2，进一步燃起缓解世界能源危机的希望。
目前，光催化产氢依旧存在很多问题值得商榷，因此，表1为光催化产氢过程中的主要问题，以及造成这些问题的主要原因。
在研发新型高效的光催化剂时需要首先解决这些困难。
早期人们采用的电解水制氢[10]。现在，随着社会科技的发展，人们主要采取太阳光分解水的方法。下面简要介绍最常见通用的两种方法：一是光助配合催化，二是半导体光催化。
表1 光催化产氢问题及分析
光催化产氢问题
分析原因
响应太阳光谱的范围很窄
在光催化产氢材料中，大多数是宽带半导体材料，禁带宽度>3eV，只吸收紫外光，而紫外光在太阳光谱中的比例不到5%。所以，宽带半导体材料对太阳光谱的利用率低，尤其是占比很高的可见光不能被利用。
目 录
1 绪论 1
1.1 光催化制氢 2
1.2 介孔纳米材料 5
1.3 简述非金属半导体材料石墨相氮化碳 7
1.4 课题指导思想和研究目的 8
2 实验部分 9
2.1 实验药品及仪器 9
2.2 实验步骤及流程 9
2.3 样品表征与性能测试 12
3 结果与讨论 12
3.1 对二氧化硅模板的表征 12
3.2 对二氧化硅合成的C3N4样品的表征 14
3.3 对二氧化硅/凹土模板的表征 18
3.4 对二氧化硅/凹土模板合成的样品的表征 19
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
1 绪论
能源，不论是古今中外，都是不可或缺的重要资源。它与人类的生活息息相关，而且与整个世界的经济发展也有着莫大的关系，但是能源储量分配不均也造成了许多问题，例如，叙利亚等地长年硝烟弥漫。如今，社会在不断快速发展，也因此，传统的化石能源如煤、石油、天然气的消耗急剧增加。随着世界人口的不断增多，经济发展对能源的需求量增大，世界各地的储藏能源日益减少，环境污染越来越严重，国民经济发展对能源的需要已经不能满足。在此情景下，中国迫切地需要转型新能源来解决当前困境，同时也减少温室气体排放，从而减少环境污染，真正意义上地实现习总书记所说的：“宁愿绿水青山，不要金山银山，建设环境友好型国家”[1]。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
为了解决能源危机与环境污染这两大问题，我们迫切需要将目光投注于新型能源。风能、水能、地热能、潮汐能、生物质[2]能等都比传统的非可再生能源更加环保，但是大部分传统的可再生能源提供的能量有限，使用范围小，会受到部分客观因素的限制。氢能作为一种可持续发展的新型能源，危险小、零污染、储量足、使用率高，发展前景不可估量。众所周知，太阳围着地球旋转，故而，太阳能资源既便于使用，又无需花费费用，光催化分解水制氢，可以将太阳能转化为化学能[3]。利用太阳能光催化分解水制取清洁、可再生的氢能源，不仅可以缓解能源短缺的问题，还能减少环境污染，是较为经济合理的制氢方法。
氢能这种新型能源，目前已被广泛知晓，但在实际应用中却依然存在一些困难。 氢气是一种常见并广泛应用的工业气体，可有不同的制备方式：电解制氢法、水煤气转化法、烃类裂解法、副产物提纯处理法[4]。例如：用玉米来发酵酿酒的过程中发酵罐的废气中含有氢气，可以通过提纯来获取。但是传统的氢气制备方法使用的能源主要来自化石能源，但是化石能源存量有限且环境污染较为严重，损耗大、效率低。当前，如何制造效率高、操作简单、污染少、价格低的制氢方法是氢能大规模推广以及应用的瓶颈所在。太阳能光催化[5]分解水来制取清洁、可再生的氢能源，不仅可缓解能源短缺的问题，而且能减少环境污染，是较为经济合理的制氢方法。
跨入了新时代，纳米半导体材料光催化技术也在迅猛发展。纳米半导体光催化剂的光催化性能很高。通过科学家们对纳米光催化剂的制备技术得不断改进，现如今，纳米材料较以往粒径更小，比表面积更大，制备难度越发降低、同时也更加廉价稳定[6]。当前，高量子效率、高可见光利用率、高稳定性而价格低廉的产氢光催化剂的设计和构筑将是光解水产氢的研究热点。
1.1 光催化制氢
早期较为成熟的制氢技术是利用传统化石燃料制氢，生产已经规模化，但其存在许多缺点。一是原材料属于不可再生能源，而是反应过程耗能大，三是生产过程会产生污染。生物质制氢也可以用来替代不可再生资源来制氢，这种方法主要是通过厌氧菌可以进行化能合成反应，或利用光合菌具有光能合成的作用，它可以通过这些反应将有机物转化为氢气和二氧化碳[7]。但是这种方法不能长时间稳定运行，因而效果也不太理想。这种情况下，光催化分解水制氢是大势所趋。
1.1.1 光催化产氢研究
20世纪70年代，日本科学家Fujishima和Honda[8]等人在著名学术期刊《Nature》上发表了他们的研究成果：他们将Ti02电极在紫外可见光下照射，发现水能够分解成H2和O2。这代表着他们首次实现了光电催化分解水制氢，同时这一现象也能够阐述半导体材料Ti02电极反应的原理。氢热值很高，是相同质量汽油的2.7倍[9]，而且清洁，所以此现象的发现非常有益，因为它既能够利用地球上储量丰富的太阳能，又能够避免使用化石能源而产生的环境污染，为光催化制取氢气建立起夯实的基石，同时也让科学家们广泛地散发思维，运用太阳能制取H2，进一步燃起缓解世界能源危机的希望。
目前，光催化产氢依旧存在很多问题值得商榷，因此，表1为光催化产氢过程中的主要问题，以及造成这些问题的主要原因。
在研发新型高效的光催化剂时需要首先解决这些困难。
早期人们采用的电解水制氢[10]。现在，随着社会科技的发展，人们主要采取太阳光分解水的方法。下面简要介绍最常见通用的两种方法：一是光助配合催化，二是半导体光催化。
表1 光催化产氢问题及分析
光催化产氢问题
分析原因
响应太阳光谱的范围很窄
在光催化产氢材料中，大多数是宽带半导体材料，禁带宽度>3eV，只吸收紫外光，而紫外光在太阳光谱中的比例不到5%。所以，宽带半导体材料对太阳光谱的利用率低，尤其是占比很高的可见光不能被利用。
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