光解水制氢催化材料结构设计、制备及其关键因素优化.pdf

摘要

在低碳经济大背景下，太阳能分解水制氢技术已取得显著进展，现代科学家

正全力以赴以发掘其最佳潜力。本论文选择了β-酮烯胺偶联的TpPa-1-COF半导

体材料作为光催化剂；建立模拟光源下磁力搅拌悬浮式光催化反应器水裂解制氢

的数学模型，实现流场、辐射场和反应场的耦合。

首先，我们采用原位法设计并同步合成了一种石墨烯量子点（GQDs）修饰

的TpPa-1-COF复合材料（GQDs/TpPa-1-COF），以改善其光催化析氢性能。制备

的0.44%GQDs/TpPa-1-COF样品在可见光照射下H产率为487.4μmolg−1h−1，是

2

纯TpPa-1-COF的2.9倍。研究发现，GQDs作为光敏剂，能有效提高材料的光吸

收能力。此外，GQDs作为一种收集光致电子的手段，以防止由可见光激发的载

流子重组。TpPa-1-COF与GQDs之间的欧姆接触效应促进了光致电子的高效迁移，

密度泛函理论计算（DFT）结果证明了这一点。

其次，通过三种不同的方法制备TpPa-1-COF，从而获得了不同的特性（如结

晶度、比表面积、形貌、带隙和亲水性），并研究了这些因素与光吸收、电荷分

离和转移以及表面催化活性位点的相关性。研究结果表明，尽管这些因素可能起

着不同的作用，但各种表征技术证实，与TpPa-1(ST-HAc)和TpPa-1(ST-KOH)相

比，尽管TpPa-1(MO)的比表面积最低，但其卓越的光催化H2演化活性主要与最

高的结晶度和最好的亲水性有关。

最后，建立了模拟光源下磁力搅拌悬浮式光催化反应器中光催化水裂解制氢

的数学模型。将辐射吸收模型和反应动力学集成到模拟中，实现流场、辐射场和

反应场的耦合。结果表明，磁力搅拌悬浮式光催化反应器中转子的转速对流场有

显著影响，转子的旋转在光催化反应器中心轴区域产生涡流；入射辐射强度和光

催化剂粒子浓度是决定反应堆内辐射分布的关键因素，强调了在反应器设计中考

虑入射辐射强度和光催化剂粒子浓度影响的重要性。

总之，本论文针对合理选择和研发β-酮烯胺基COFs光催化剂提出了全新的

研究思路；对结构-性质-活性相关性的阐明有望促进新型光催化剂的开发；对今

后设计磁力搅拌悬浮式光催化反应器具有重要理论指导意义。

关键词：共价有机框架，石墨烯量子点，关键因素，光解水制氢

Abstract

Inthecontextofalow-carboneconomy,solarenergysplittingwatertomake

hydrogenhascomealongway,andmodernscientistsareinvestingalotoftimeand

resourcestomakethebestuseofit.Inthispaper,aβ-ketoenaminecoupledTpPa-1-COF

semiconductormaterialwasselectedasthephotocatalyst.Themathematicalmodelof

watercrackingforhydrogenproductioninamagneticallystirredsuspension

photocatalyticreactorundersimulatedlightsourcewasestablishedtorealizethecoupling

offlowfield,radiationfieldandreactionfield.

Firstly,agraphenequantumdot(GQDs)modifiedTpPa-1-COFcomposite

(GQDs/TpPa-1-COF)wasdesignedandsynthesizedinsituforthefirsttimetoimprove

itsphotocata