羰基合成与选择氧化国家重点实验室（OSSO）知识库

本论文以设计合成高效的光催化分解水产氢共催化剂作为研究的切入点，以新型的二维碳材料-石墨烯(Graphene)作为载体和有效的电子传递基质，通过化学沉积和光还原方法将过渡金属单质、过渡金属硫化物、过渡金属复合氧化物，贵金属与非贵金属合金等担载在石墨烯上来构建高效的的光敏化制氢体系，并系统地研究了石墨烯在光催化分解水制氢过程中的作用机制，此外，还将Ru 作为共催化剂和染料的稳定剂来构建稳定高效的光催化制氢体系， 取得了如下创新性成果：

1. 钴和硫化钴-石墨烯复合材料光催化产氢活性研究

以氧化石墨为起始反应物，采用先原位化学沉积后光还原的方法分别制备了Co/Graphene (Co/G)和CoS_x/G复合物。以三乙醇胺(TEOA)为电子给体，荧光素类染料曙红(EY)为光敏剂，在可见光激发下，Co/G和CoS_x/G都表现出良好的光催化产氢活性和稳定性。在3 h内，其产氢量分别是相同质量Co和CoS_x的4.36和3.7倍，其中，Co/G在碱性条件下具有和Pt/G相当的催化活性和稳定性。Co/G和CoS_x/G体系的最大产氢表观量子效率达到8.7%和6.7%，分别位于520 nm和430 nm；并系统的研究了pH值和石墨烯含量等条件对体系产氢效率的影响。在这两个反应体系中，石墨烯能有效的促进电子从染料激发态到产氢活性位(Co/CoS_x)的传递，降低光生电子复合率，从而提高体系的产氢效率。

2. 硫化镍-石墨烯复合材料光催化产氢活性研究

通过原位化学沉积法制备得到NiS_x/G纳米复合共催化剂。 在可见光激发下(λ ≥ 420 nm)，曙红作为敏化剂，三乙醇胺为牺牲试剂时，石墨烯的加入使得NiS_x的制氢活性提高了两倍。NiS_x/G-EY体系最大量子效率位于430 nm, 其值为32.5%。在这个体系中，石墨烯做为一个二维基质对NiS_x的生长有限制作用，使得NiS_x暴露更多的产氢活性位点，同时，石墨烯作为一个优良的电子导体，能及时有效的将激发态染料的电子传递到助催化剂，促进电荷分离，有效降低电子的复合率，因此，NiS_x/G表现出优良的光催化产氢性能。

3. 钴锡复合氧化物(CoSn_xO_y)和镍锡复合氧化物(NiSn_xO_y)-石墨烯复合材料光催化产氢活性研究

通过先原位沉积后光还原的方法制备了无定型钴锡和镍锡复合氧化物修饰的石墨烯复合材料(CoSn_xO_y/G和NiSn_xO_y/G)。在三乙醇胺和曙红构成的染料敏化光催化制氢体系中， CoSn_xO_y/和NiSn_xO_y/G都具有良好的产氢活性和稳定性。CoSn_xO_y/G-EY体系具有比 Pt/G-EY体系还高的产氢效率，在可见光下激发3 h，其产氢量为974.6 μmol，分别是 CoSn_xO_y和Co/G的1.67和1.4倍，最高量子效率(430 nm)达到20.1%，并且CoSn_xO_y/G对pH值不敏感，在8-11的pH值范围内，都能保持较高的产氢活性。NiSn_xO_y/G-EY体系在三小时内产氢量为520.8 μmol，是Ni/G-EY (355.6 μmol)体系的1.46倍。在反应过程中，石墨烯的电子传递作用和可能存在的氢原子快速迁移(从Co或Ni到Sn)，使得CoSn_xO_y/G和NiSn_xO_y/G表现出良好的光催化制氢活性。

4. 铂-锡合金修饰的石墨烯(Pt-Sn/G)复合材料光催化制氢活性研究

锡的存在也能大幅度提升贵金属铂的光催化制氢活性。采用一步光还原法制备了Pt-Sn/G 光催化剂，其在可见光激发下，曙红和三乙醇胺共存时，表现出良好的光催化产氢效率。在90 min内的产氢量为1331.8 μmol，分别是Pt/G-EY和Pt-EY体系1.97和3.63倍，其最大产氢表观量子效率可达87.2% (430 nm)。并且在Pt-Sn/G复合材料中，Pt、Sn、石墨烯的质量比的变化对其产氢活性都没有显著的影响。在光催化过程中，Pt-Sn/G虽然存在Sn的光腐蚀现象，但Pt-Sn/G仍然具有比Pt/G高的催化活性。

5. 钌作为染料稳定剂和产氢活性位在染料敏化体系中的应用研究

由Ru、曙红、三乙醇胺构建的染料敏化光催化产氢体系具有比Pt-EY体系更高的产氢效率和稳定性。实验结果表明，在Ru-EY体系中，Ru和EY之间有较强的相互作用，可有效降低曙红在可见光下的降解速率，同时可能有利于光生电子更直接有效的从激发态曙红传递到活性位Ru，进一步提高了光生电子的利用率。因此，Ru-EY体系显示出比Pt-EY体系更高的制氢效率和稳定性。Ru-EY体系不添加任何组分的情况下，在3小时内的制氢量为 2434.2 μmol，是Pt-EY体系(493.2 μmol)的4.9倍，其最大量子效率为46.3%，位于520 nm。在Ru-EY体系中，Ru具有染料曙红的稳定剂和光催化制氢共催化剂的双重功能。