新型太阳燃料光催化材料

1.本书系余家国教授团队的倾心之作，是近年来在太阳能燃料领域的研究成果的总结和提炼。

2.各种具有代表性的光催化材料的详实探讨。

3.本书亮点：以实例分析了光催化材料方面的新方法、新发现、新成果和新理念。

 

本书介绍了光催化原理和基础，对近年来广泛研究的各种具有代表性的光催化材料（如二氧化钛、硫化物、石墨烯基和石墨相氮化碳光催化材料）的组成、结构和能带调控、各种改性策略及它们在太阳燃料方面的应用进行了详实的探讨，另外还分析了助催化剂的作用机制。本书内容丰富、结构严谨。书中的实例分析注重引入光催化材料方面的新方法、新发现、新成果和新理念。

本书可以作为材料及催化专业硕士、博士研究生选读教材，也可为相关专业的技术人员提供参考。

余家国，博士、教授、博士生导师、国家杰出青年基金获得者、新世纪百千万人才工程*人选，湖北省楚天学者计划特聘教授，武汉理工大学首席教授。2015年全国先进工作者。近5年在半导体光催化材料、光催化产氢、染料敏化太阳能电池、室内空气净化技术与产品、污染物吸附、和材料的仿生合成与形貌控制等方面的研究中取得了若干创新性研究成果，多篇研究论文发表在多种国际著名刊物上。发表学术论文300余篇，其中国际刊物论文240余篇，论文被SCI收录270余篇，SCI他人引文9800余篇次，H个人引文指数57，单篇SCI他人引文700余次。56篇论文被ISI评为近十年高引频论文(本领域引用率的1%以内, Top 1% paper)。已获得国家发明专利20项，省级自然科学一等奖2项、部级发明二等奖2项、省级科技进步二等奖1项、省级成果推广二等奖1项等。是Journal of Hazardous Materials, Applied Surface Science,
International Journal of Photoenergy, Journal of Nanomaterials等国际期刊的编委和客座主编。

1  光催化基础与原理(1)

1.1  光催化的发展历史(1)

1.2  半导体光催化的热力学及动力学基础(11)

1.2.1  半导体光催化的热力学基础(11)

1.2.2  半导体光催化的动力学基础(12)

1.3  光催化合成太阳燃料的基本原理(17)

1.3.1  光催化分解水制氢原理(17)

1.3.2  光催化还原CO2原理(23)

1.3.3  氧化半反应的关键作用(32)

1.4  光催化材料的设计及开发(35)

1.4.1  光催化材料的设计原则(35)

1.4.2  光催化材料的改性策略(37)

1.4.3  光催化材料的开发手段(41)

1.4.4  光催化材料的评价表征(45)

1.5  本书的研究领域及重点(47)

参考文献(48)

2  二氧化钛晶面控制(69)

2.1  引言(69)

2.2  TiO2光催化晶面效应(70)

2.2.1  表面吸附与选择性(70)

2.2.2  晶面能带结构与表面异质结(73)

2.3  TiO₂晶面控制的原理与实例(89)

2.3.1  TiO₂晶面控制的基本原理(89)

2.3.2  TiO₂晶面控制的合成实例(92)

2.4  TiO₂晶面控制的太阳燃料光催化应用(100)

2.4.1  光催化分解水制氢(101)

2.4.2  光催化二氧化碳还原(103)

2.5  小结与展望(104)

参考文献(105)

3  硫化物光催化材料(111)

3.1  引言(111)

3.2  硫化物光催化材料的制备(112)

3.2.1  硫化物半导体的制备(112)

3.2.2  硫化物半导体的结构调控(116)

3.2.3  硫化物半导体的能带调控(125)

3.2.4  硫化物基复合光催化材料的制备(133)

3.3  硫化物光催化材料制备太阳燃料(160)

3.3.1  光催化分解水制氢(160)

3.3.2  光催化二氧化碳还原(166)

3.4  小结与展望(170)

参考文献(172)

4  石墨烯基半导体光催化材料(187)

4.1  引言(187)

4.2  石墨烯基光催化材料的制备(188)

4.2.1  石墨烯的制备(188)

4.2.2  石墨烯基光催化材料的制备(189)

4.3  石墨烯基光催化材料制备太阳燃料(196)

4.3.1  光催化分解水制氢(196)

4.3.2  光催化二氧化碳还原(212)

4.4  小结与展望(220)

参考文献(221)

5  石墨相氮化碳光催化材料(229)

5.  1引言(229)

5.2  纳米结构g-C₃N₄光催化材料的设计合成(231)

5.2.1  大比表面积g-C₃N₄的可控合成(231)

5.2.2  二维超薄g-C₃N₄纳米片的制备(235)

5.2.3  g-C₃N₄纳米结构调控(238)

5.3  g-C₃N₄光催化材料的能带调控(244)

5.3.1  g-C₃N₄的元素掺杂(244)

5.3.2  g-C₃N₄的分子改性(246)

5.4  g-C₃N₄基复合光催化材料的构建(248)

5.4.1  g-C₃N₄基Ⅱ型异质结复合光催化材料的构建(248)

5.4.2  g-C₃N₄基Z型光催化材料的构建(249)

5.5  g-C₃N₄光催化材料制备太阳燃料(260)

5.5.1  光催化分解水制氢(261)

5.5.2  光催化还原二氧化碳(268)

5.6  小结与展望(273)

参考文献(275)

6  助催化剂(286)

6.1  助催化剂的主要作用和机制(287)

6.2  助催化剂在光催化分解水中的应用(289)

6.2.1  产氢助催化剂(289)

6.2.2  产氧助催化剂(307)

6.2.3  全分解水助催化剂(312)

6.3  助催化剂在光催化CO2还原中的应用(316)

6.4  结论与展望(318)

参考文献(319)

前言新型太阳燃料光催化材料前言化石燃料作为人类社会的主要能源，与我们现代便利的生活方式息息相关，当今世界对化石燃料具有很强的依赖性（占全部燃料的80%以上）。在未来，人类面临的一个巨大挑战就是如何将能源供应逐渐从化石燃料大部分转移或完全转移到可持续能源上来，这主要是由化石燃料资源的短缺，使用化石燃料给环境和气候带来的负面效应，能源供应的安全性、独立性和价格保障等造成的。从长远来看，人类必将依靠可持续和可再生资源减小对环境的负面影响，从而实现与自然和谐相处。2006年，国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中明确指出，清洁能源低成本规模化开发利用是未来15年的重点研究领域和优先主题。2009 年12 月7 日—18 日，联合国气候变化大会在丹麦首都哥本哈根举行。会议发表了《哥本哈根协议》，发展以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济成为各国的共识。在这样的背景下，各国政府和科学家均在着力寻求生产绿色清洁能源的途径，以实现人类社会的可持续发展。半导体光催化正是这样一种途径，它以取之不尽的太阳能为驱动力，在常温常压下分解水得到氢气，以及还原二氧化碳得到碳氢燃料，而且没有二次污染。因此，半导体光催化是一种非常有前景的通过生产清洁能源来解决日益严重的环境污染和能源危机的途径。2010年以来，美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区均成立了人工光合作用研究中心或光催化材料与技术研究机构，重点开展太阳能光催化制备清洁燃料的研究。我国非常重视光催化生产氢气和碳氢燃料技术的开发研究。20世纪90年代以来，国内的一些研究机构如中科院兰州化学物理研究所、南京大学、西安交通大学、中科院大连化学物理研究所、中科院理化所、福州大学、武汉理工大学等陆续开展了该领域的研究工作。目前，太阳燃料光催化材料这一研究领域发展十分迅速，研究对象从传统的TiO2光催化材料扩展到多种新型光催化材料。本书从光催化基础与原理、TiO2晶面控制、硫化物光催化材料、石墨烯基半导体光催化材料、石墨相氮化碳光催化材料和助催化剂等方面对近年来光催化分解水制氢和二氧化碳还原材料和技术的发展进行了广泛而深入的探讨。本书第1章由华南农业大学李鑫、武汉理工大学余家国撰写，第2章由中山大学刘升卫、武汉理工大学余家国撰写，第3章由中南民族大学李覃、武汉理工大学余家国撰写，第4章由电子科技大学向全军、武汉理工大学余家国撰写，第5章由武汉理工大学曹少文和余家国撰写，第6章由武汉理工大学张军和余家国撰写。在撰写本书的过程中，课题组姜传佳和张留洋老师进行了认真的校读和修改。