染料分子共价功能化石墨烯的制备、光生电子传递及其光催化产氢性能研究

【摘要】长久以来，人类都面临着两大制约人类社会发展的重大问题：环境恶化和能源短缺。光催化分解水产氢是指利用光催化材料吸收太阳辐射光，将太阳能转化为化学能的一种新兴技术。由于太阳能和水储量丰富，产生的氢气更是一种清洁、高效、环境友好的能源。因此，光催化分解水产氢技术是缓解环境恶化和能源短缺的重要途径，受到了研究者的高度关注。本文以石墨烯为基底碳材料，合成了硅酞菁共价功能化石墨烯和吡啶钌共价功能化石墨烯两种石墨烯基纳米复合物，然后采用光沉积的方法将Pt纳米粒子沉积到石墨烯表面，制备了Pt纳米粒子修饰的染料共价功能化石墨烯，并对其结构做了相关表征和研究了光催化性能。主要工作内容如下：（1）酞菁及其衍生物具有很广的光响应范围，能够更加有效地利用太阳辐射光。我们以二氯硅酞菁为光敏剂，通过1,3―偶极环加成反应和一步Williamson反应两步合成了硅酞菁共价功能化石墨烯(SiPc(phenyl)2G2)。通过原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、红外光谱、紫外可见光谱、光电流、阻抗、荧光光谱等方法对其结构和光电性质进行表征。在365nm光激发下荧光猝灭率达到95%、光电流响应显著提高和低阻抗等优异的光电性质表明了酞菁分子与石墨烯之间能够发生高效的电子转移。同时证明了石墨烯不仅是染料分子的载体，还是电子传递过程中的受体和转移媒介。为了得到效率更高的光催化剂，我们采用光沉积法将Pt纳米粒子沉积于石墨烯表面，制备了Pt纳米粒子修饰的硅酞菁共价功能化石墨烯(SiPc(phenyl)2G2/Pt)。在10h可见光(λ>400nm)照射下，氢气产量达到2.51μmolmg-1。在不同波段光照射下，该催化剂也都表现出较好的光催化活性。由于SiPc(phenyl)2G2催化剂本身在溶液中的分散性不好，我们在研究其光催化性能时在体系中加入了表面活性剂。实验结果表明，表面活性剂能够抑制催化剂聚集而极大的提高SiPc(phenyl)2G2光催化性能。最后，我们提出了SiPc(phenyl)2G2/Pt光催化产氢机理。（2）通过1,3―偶极环加成反应将吡啶连接在了石墨烯表面，然后利用吡啶与cis-二氯双(2,2，―二吡啶)钌二水合物(Ru(bpy)2Cl2)配位制备了吡啶钌共价功能化石墨烯纳米复合物(Ru(bpy)2(py)Cl/G)。通过原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、红外光谱、紫外可见光谱等方法对其结构进行了表征。高荧光淬灭率及显著增强的光电流表明了染料分子与石墨烯之间能够发生高效的光生电子转移，并且在电子传递过程中石墨烯起到受体和转移媒介的双重作用。通过光沉积的方法我们将助催化剂Pt纳米粒子负载到了石墨烯表面，制备了Pt纳米粒子修饰的吡啶钌共价功能化石墨烯光催化剂(Ru(bpy)2(py)Cl/G/Pt)。以甲醇作为电子给体，该催化剂在可见光照射下表现出了优异的光催化产氢性能。我们还研究了该催化剂的稳定性以及对光催化反应体系酸碱度的敏感性。最后，我们同样给出了Ru(bpy)2(py)Cl/G/Pt催化剂的光催化产氢机理。
【作者】肖斌；
【导师】杨平；
【作者基本信息】苏州大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】共价；石墨烯；可见光；光催化；产氢；

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