随着人类社会的不断发展,如何解决传统化石能源短缺以及化石能源使用所引起的环境问题成为当今世界能源领域的一大研究热点。利用储量丰富的太阳能进行光催化分解水产氢是解决能源危机的一条可行途径。在光催化产氢中,光生载流子的分离是影响光催化性能的决速步骤,担载合适的助催化剂可以有效地实现光生载流子的分离。当前,光催化产氢助催化剂主要分为贵金属和非贵金属两大类,两者作用机理不同,且各有利弊。如何整合两类助催化剂的优点,设计合适的贵金属/非贵金属产氢助催化剂体系,并研究光催化产氢中贵金属和非贵金属产氢助催化剂的不同作用具有十分重要的意义。本论文研究发现:在复合体系中,钼基助催化剂起储存电子的作用,贵金属起催化还原质子产氢的作用;非贵金属助催化剂大的电容有助于提升其助催化性能;电容与助催化剂的助催化性能成火山型分布关系;同量贵金属下,电容大的助催化剂光催化活性提升的倍数更多。具体研究内容如下:(1)研究了 Pt/Mo2N复合助催化剂中贵金属Pt和非贵金属Mo2N的不同作用。制备了Mo2N/CdS、Pt/CdS和(Pt/Mo2N)/CdS三种产氢光催化剂,发现(Pt/Mo2N)/CdS具有最高的光催化产氢活性,是Mo2N/CdS的1.6倍,Pt/CdS的6.2倍,CdS的7.2倍。瞬态光电流实验表明,(Pt/Mo2N)/CdS具有最高的光电流,代表着最强的光生载流子的分离能力;线性扫描伏安曲线证明,Pt具有最低的产氢过电势,(Pt/Mo2N)中Pt的引入可以有效的降低产氢的过电势;电化学交流阻抗谱证明,Pt的引入可以有效地降低界面电荷转移电阻;循环伏安曲线证明Mo2N/CdS具有最大的电容,说明Mo2N在其中主要起储存电子的作用,而贵金属助催化剂主要起质子还原催化产氢的作用。明确了光催化产氢效率公式η光催化产氢=η光吸收×η光生电荷分离×η质子催化产氢中:非贵金属助催化剂对应于η光生电荷分离,而贵金属助催化剂对应于η质子催化产氢。(2)研究了电容对Mo2N助催化剂性能的影响。制备了棒状、带状、球状三种不同形貌的Mo2N助催化剂,发现棒状Mo2N/CdS具有最高的光催化产氢活性,是带状Mo2N/CdS的1.9倍,是球状Mo2N/CdS的3.1倍,是1wt.%Pt/CdS的6.1倍,是单独CdS的30.1倍。光电化学实验研究表明,棒状Mo2N/CdS具有最强的光电流响应强度,代表着其具有最强的光生载流子分离效率;线性扫描伏安曲线发现三种Mo2N的产氢过电势并没有明显差异,说明过电势并不是影响助催化性能的主要因素;电化学循环伏安曲线证明,棒状Mo2N具有最大的比电容,为19.5 F/g,证实了电容对于非贵金属助催化剂储存电子的影响,电容越大越有利于光生电子的储存,电容是衡量非贵金属催化剂储存电子的指标,是影响非贵金属助催化剂性能的本质因素之一。(3)研究了非贵金属储存电子能力与贵金属催化产氢性能之间的关系。通过有机无机杂化法制备了电容值依次增大的六种产氢助催化剂Mo2C(电容值分别为:9.75,16.51,18.95,28.65,33.44和36.62 F/g)。研究发现,光催化产氢活性与电容值之间的关系呈火山型分布,电容值为18.95 F/g的助催化剂具有最高的助催化活性,其助催化性能是电容值最低的助催化剂的1.5倍,是电容值最高的2.1倍,是单独CdS的18.5倍。通过将定量的非贵金属与不同量的贵金属组装,发现Pt的担载量同样呈现火山型曲线关系;同量贵金属Pt与不同非贵金属助催化剂Mo2C组合并担载到主体光催化剂上时,电容大的助催化剂光催化活性提升的倍数更多,达到了 2.08倍;同量贵金属对于助催化性能的提升是有限度的,随着与之组装的非贵金属电容值的增加,最终趋于一个平台。通过对比Pt担载量为0.002%、0.02%、0.2%的不同光催化剂,线性扫描伏安曲线证明了 Pt具有强的质子催化还原产氢能力,Pt的引入可以有效地降低光催化剂的产氢过电势;电化学交流阻抗谱证明了 Pt的引入可以有效地降低界面电荷转移电阻;瞬态光电流响应曲线表明(0.02%Pt/Mo2C-a4)/CdS具有最大的光电流,这表明其具有最高的光生电荷分离效率,进一步证明了其光催化活性高的原因。