摘    要：氢能的生产和储存是氢能发展面临的两大挑战。此外，从其所获得的气态到稳定储存状态的过程消耗了额外的能量，增加了氢的成本。基于以上考虑，我们提出了一种简单的混合材料系统（CO／TiO2），使水光催化产生氢和在室温下储存同步。在复合材料中，通过一系列实验，分别在TiO2光催化剂上制备了由1, 2, 4和9原子层组成的超薄钴壳层。结果发现，在金属钴饱和氢之前，储氢效率高达100%，这意味着几乎所有光催化分解水生成的氢可以保存的。

Abstract：Hydrogen production and storage are two major challenges faced by hydrogen energy development. In addition, the process from gaseous to stable storage consumes additional energy and increases the cost of hydrogen. Based on the above considerations, we propose a simple hybrid material system (CO / TiO2), which enables water to photocatalytic generate hydrogen and store at room temperature. In composite materials, a series of experiments were carried out to prepare ultra-thin cobalt shells composed of 1, 2, 4 and 9 atomic layers on TiO2 photocatalyst. It is found that hydrogen storage efficiency reaches 100% before the saturation of metal cobalt, which means that almost all the hydrogen generated by photocatalytic decomposition of water can be preserved.

关键词: 二氧化钛； 制氢； 储氢； 光解水

Key word: TiO2; hydrogen production;  hydrogen storage;  photocatalytic water splitting

目录

1. 引言： 5

1.1. 光催化分解水的反应的机理 6

1.2. TiO2改性： 7

1.2.1. 贵金属负载量 7

1.2.2. 金属离子掺杂 7

1.2.3. 阴离子掺杂 8

2. 实验部分： 8

2.1. 试剂与仪器： 8

2.2. TiO2 NTS的制备。 8

2.3. Co／TiO2 NTs的制备。 9

2.4. 表征方法： 9

2.4.1. X射线晶体衍射（XRD） 9

2.4.2. X射线光电子能谱（XPS） 9

2.4.3. 扫描电子显微镜（SEM） 10

2.4.4. 透射电子显微镜（TEM） 10

2.4.5. N2吸附/解吸等温线 10

2.5. 实验仪器表征方法： 11

2.5.1. 样品的表征 11

2.5.2. 光电化学测量 11

2.5.3. 光催化析氢的测量 12

3. 结果与讨论： 12

3.1. TiO2 NTs和Co/TiO2 NTs的表征。 12

3.2. Co／TiO2复合材料产品的光学性能。 17

3.3. Co／TiO2复合材料的生产储氢能力。 18

4. 总结： 19

5. 本文创新点： 20

参考文献: 20

致谢 21

1. 引言：

氢能源，一种最有前景的绿色能源，由于其清洁、可持续的发展在过去几十年得到了众多的关注。到目前为止，限制氢能发展的两大挑战是：一是由于天然氢储量不足；另一方面是储氢，如为汽车、船舶和飞机提供燃料。为发展氢能经济，已经制定了多种制氢和储存战略。如NH3BH3,LiAlH4,MgH2材料[1]被用作高容量储氢化工的重要来源。对不同技术进行研究以提高产氢率，包括硼氢化钠甲醇，利用生物质氢提取、光催化和光电化学分解水。目前，直接制氢的主要策略是重整烃、热解、电解和光催化分解水。通过太阳能分解水转化为氢气是实现清洁和可再生能源最好的方法之一。然而，如果这一过程是由直接悬浮在水中的光催化剂代替光电系统来进行的，那么反应只需一步，因此效率更高。值得注意的是，生成氢气的光催化和电解过程有相同的反应机理，从氢离子态形成原子状态，并最终形成分子状态，如下

H+ + e- → H•     （1）

H• + H• → H2     （2）

然而，在H2化学存储过程，如金属氢化物，氢分子首先被激活，再在外能下转化为原子状态。在一定的环境条件下，某些过渡金属可以有效地吸附并储存氢原子。所以光解水制氢和储存氢可以同步，从而降低生产和储存氢的成本。