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隨著不可再生的化石燃料的極速消耗以及氣候變化的日趨激烈，尋求綠色清潔能源以減少溫室氣體的排放已經(jīng)成為當(dāng)下能源研究的熱點(diǎn)。氫氣是極有希望替代傳統(tǒng)化石能源的一種清潔能源。然而，目前氫氣的生產(chǎn)方法仍依賴于石油化工和煤化工，生產(chǎn)過程需要消耗化石能源并排放大量溫室氣體。因而尋求綠色高效、價(jià)格低廉的氫氣生產(chǎn)方法成為氫能源廣泛應(yīng)用的先決條件。近年來，利用太陽光直接分解水成為一種可能的獲取氫氣的途徑而廣受研究。迄今為止，各種各樣的光催化劑被開發(fā)出來并用于產(chǎn)氫過程，如 TiO2、CdS、ZnS、BiWO3、g-CN等。采用多級(jí)孔 Beta 分子篩為載體，Zhou 等通過兩步孔修飾在介孔孔道中負(fù)載了高分散的 Pt/CdS 納米粒子。

在模擬太陽光照射下，這種新型催化劑能夠高效穩(wěn)定地析氫，速率為 3.09 mmol/(h·g)。高分散 CdS 物種和分子篩多級(jí)結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同效應(yīng)促進(jìn)了光生電子和空穴的分離和轉(zhuǎn)移，從而提高了催化劑的光- 電化學(xué)性質(zhì)和析氫速率。此外，這種新穎的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)能夠有效避免 Pt/CdS 納米粒子的光腐蝕，從而在光催化體系中表現(xiàn)出高穩(wěn)定性。通過將 ZnxCd1-xS納米顆粒與模板法礦化、離子交換/晶種生長(zhǎng)法制備的多級(jí)細(xì)菌纖維素(BC)組裝，Wang 等設(shè)計(jì)了一種多級(jí)孔ZnxCd1-xS/BC生物納米復(fù)合物泡沫。在可見光照射、優(yōu)異的表觀量子效率(12%；420nm)條件下，最佳的ZnxCd1-xS/BC催化劑析氫速率高達(dá) 1450 mmol/(h·g)得益于樣品的高比表面積、窄帶隙、多級(jí)結(jié)構(gòu)以及 ZnxCd1-xS本征性質(zhì)的協(xié)同作用。Zhao 等報(bào)道了一種基于三維有序大孔結(jié)構(gòu)(3DOM)的三元組分光子晶體TiO2-Au-CdS 催化劑，在光解水產(chǎn)氫方面具有優(yōu)異的性能。在該體系中，TiO2提供3DOM 光子晶體結(jié)構(gòu)，通過慢光子效應(yīng)來增強(qiáng)光吸收。

CdS 作為光敏化劑在可見光照射下產(chǎn)生電子，并與 TiO2形成異質(zhì)結(jié)增強(qiáng)光生電子空穴的分離。金納米顆粒在光解水產(chǎn)氫過程中具有兩種作用，分別是電子傳輸體和等離子光敏劑。Xing 等采用“硬模板 - 硫化自組裝”的方法，開發(fā)了一種“具有電荷空間分離效應(yīng)”的雙助光催化劑:MnOx@CdS/CoP。MnOx和 CoP 納米顆粒分別負(fù)載在 CdS 介孔空心殼層的內(nèi)壁與外壁。在模擬太陽光照射下，CdS 產(chǎn)生的光生電子與空穴分別被外表面的 CoP 和內(nèi)表面的 MnOx捕獲，實(shí)現(xiàn)了電子和空穴在空間上的分離。與單助催化劑MnOx@CdS 和CdS/CoP 相比，合成的 MnOx@CdS/CoP 催化劑表現(xiàn)出更加優(yōu)異且穩(wěn)定的光解水產(chǎn)氫活性。Guo 等利用電化學(xué)腐蝕的方法設(shè)計(jì)出規(guī)則有序排列的TiO2短管陣列薄膜，并在TiO2短管內(nèi)表面均勻生長(zhǎng)出多層硫化鉬 (MoS2)納米片，將其應(yīng)用于太陽光分解水制氫中。通過光催化反應(yīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這種規(guī)則有序的多孔 MoS2@TiO2光催化劑，表現(xiàn)出優(yōu)異的太陽光分解水制氫活性以及循環(huán)穩(wěn)定性。多孔 TiO2短管陣列在新型的光催化劑中，不僅起到吸收紫外線的作用，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì) MOS2催化劑的擔(dān)載，從而提高太陽光的利用效率和光催化過程的穩(wěn)定性。

在光催化劑作用下，利用太陽能將 CO2轉(zhuǎn)化成可再生的甲烷和甲醇等碳?xì)淙剂?，是一種減少大氣中 CO2的有效方法。同時(shí)，利用光催化技術(shù)，可以抑制溫室效應(yīng)并減少化石燃料的消耗。目前，已有很多研究報(bào)道了用于光催化還原 CO2的半導(dǎo)體光催化劑。Lou 等通過在模板 Fe203立方體上包覆氮雜碳材料(NC)合成NC 納米盒子。隨后，他們?cè)?NC 納米盒子上組裝一層超薄 NiCo204二維納米片,構(gòu)筑了NC@NiCo204多級(jí)雙層納米盒子。該NC@NiCo204 復(fù)合催化劑表現(xiàn)出良好的可見光還原 CO2的活性和穩(wěn)定性，產(chǎn)物 CO的產(chǎn)率為 26.2 μmol/h [ 2.62 x 104μmol/(h·g)]。該體系中，半導(dǎo)體二維納米材料可促進(jìn)光生載流子的分離，提供較高的比表面積，并暴露豐富的催化活性位點(diǎn)，碳材料具有良好的導(dǎo)電性和優(yōu)異的光穩(wěn)定性。此外，空心納米結(jié)構(gòu)光催化劑不僅能夠有效降低光生電子 - 空穴的體相復(fù)合，促進(jìn) CO2分子吸附，加速多相催化反應(yīng)進(jìn)行，還能夠?qū)崿F(xiàn)光在空心結(jié)構(gòu)內(nèi)的多次散射與反射，進(jìn)而更加有效地利用太陽光催化還原 CO2。Di等利用微波輔助溶劑熱法，并結(jié)合熱處理，成功制備了穩(wěn)定的、多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的 TiO2亞穩(wěn)相(圖13-6)。這種 TiO2顆粒由厚度約 30 nm 的超薄納米片構(gòu)成，最終形成三維的多孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有高比表面積，為 CO2吸收及轉(zhuǎn)化提供大量的活性位點(diǎn)。多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的 TiO2在 CO2還原成甲烷和甲醇的過程中展現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性。與銳鈦礦型TiO2和商用 P25 相比，TiO2亞穩(wěn)相展現(xiàn)出更為優(yōu)異的光催化還原 CO2的效率。

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