关键词：
光催化水解制氢
薄膜光催化剂
NaTaO3:La
PN结
可回收利用
摘要：
现阶段,人类赖以生存的自然资源正在大幅度地被消耗,严峻的能源短缺和环境污染问题是目前人类所面临的巨大挑战。寻找一种可替代的,无污染,可循环利用的清洁新能源已成为人类的首要任务之一。氢能作为二次能源具有许多优点,既清洁又安全高效,同时既可存储也可运输,它已经被人们广泛认为是一种新世纪无污染的理想绿色能源,因此受到了各国学者的高度重视。同时,太阳能分布广泛,清洁,可再生。因此,利用太阳能将水分解制备氢气（H2）和氧气（O2）作为清洁氢生产的潜在系统已引起越来越多的关注,而应用半导体催化剂将水分解制氢是较理想的方式之一。光催化剂在光催化水分解制氢的过程中起着重要作用。已发现大量半导体光催化剂实现一步水分解,例如Sr Ti O3,KTa O3,NaTaO3等。钙钛矿结构的NaTaO3由于其在紫外波长范围内有很强的光催化水分解效率而备受关注。在紫外光下,NaTaO3的电子和空穴被分离,与水发生氧化还原反应产生氧和氢。而掺La的NaTaO3会使其晶体表面出现有序的阶梯状结构,这有利于电子和空穴的分离,提高光解水的效率。然而,传统的粉末光催化剂具有以下缺点:首先,在光解水制氢的过程中,粉末光催化剂需要分散在水中参与反应,这导致分散在上层中的催化剂阻挡光照射下面的催化剂,从而减低产氢量。并且粉末不便于回收再利用;其次,在光解水过程中产生的气体是H2和O2的混合气体,不能直接分离H2和O2;最后,粉末光催化剂的产氢位点与产氧位点的距离很近,同时位于催化剂的表面,逆反应更容易发生,导致产氢效率的降低。因此我们基于传统粉末光催化剂普遍存在的优点与缺点,选取掺La的NaTaO3为光催化剂并对其进行改良。首先,我们以Ni片为基底制备Ni/NiO/NaTaO3:La薄膜光催化剂,通过简单的退火方式对其进行负载NiO。进而提高光解水效率,同时又能解决负载NiO方法复杂的问题;其次,考虑P-N结对NaTaO3:La的光解水效率的作用,我们制备了基于Ti金属片的Ti/TNT/N-P/NaTaO3:La薄膜光催化剂,以达到提高整体光解水效率的目的。具体实验研究内容如下:（1）以Ta2O5,Na2CO3和La2O3为前驱物,采用高温固相反应制备NaTaO3:La粉末光催化剂,然后以Ni片作为基底采用丝网印刷技术制备Ni/NaTaO3:La薄膜光催化剂,在空气中退火形成Ni/NiO/NaTaO3:La薄膜光催化剂,并探究不同退火温度对其光解水活性的影响。光解水测试中的光源为300W高压汞灯,反应溶液是p H=13的Na OH水溶液,测试结果表明在高压汞灯的照射下,Ni/NiO/NaTaO3:La的光催化活性为10.83μmol/h·cm2,是Ni/NaTaO3:La的2倍。此外,当样品在700℃退火时,光催化水分解活性最高,表明温度对NiO的形成和光催化效率具有很重要的影响。（2）选用Ti片为基底制备TiO2纳米管作为电子传输层（记作TNT）,在TiO2纳米管上制备TiO2纳米颗粒薄膜作为N型层（记作N）并利用NiO薄膜作为P型层（记作P）,形成PN结。再通过丝网印刷的方法将NaTaO3:La光催化剂粉末制备在PN结上并退火形成Ti/TNT/N-P/NaTaO3:La薄膜光催化剂。TiO2纳米薄膜的制备主要是以溶胶凝胶为前驱液,使用旋涂的方法制备致密的纳米晶薄膜。探究了不同前驱液浓度,旋涂转速以及旋涂层数对N型层TiO2纳米薄膜的影响,寻找到了最优的条件制备致密的TiO2薄膜。最后通过化学水浴沉积的方法制备NiO薄膜。结果显示,当旋涂层数为4层时,Ti/TNT/N-P/NaTaO3:La薄膜光催化剂光催化效率最高,产气量为8.14μmol/h·cm2。这主要是因为当旋涂四层时所制备的N型层成膜较好,更有利于形成PN结。Ti/NaTaO3:La与Ti/TNT/N-P/NaTaO3:La薄膜光催化剂相对比,后者的光催化效率是前者的二倍。这证明了PN结对光催化剂起着积极的作用。同时,实现在Ti基底的正反侧更高效地产生H2和O2,这初步解决了粉末光催化剂存在的固有缺点。
