玉米秸秆耦合光催化分解水制氢原理和方法

本书系统阐述了太阳能光催化分解水制氢技术的前沿进展，聚焦农业废弃物玉米秸秆在光催化制氢体系中的创新应用研究。针对化石能源依赖及传统制氢工艺的局限性，提出以生物质资源为载体的绿色制氢新范式，为解决能源转型与环境治理双重挑战提供科学方案。全书从光催化基础理论出发，深入解析玉米秸秆的独特优势：其多级孔道结构可构建高效电子传输网络，表面丰富的羟基、羧基等活性官能团作为新型电子供体，突破了传统小分子牺牲剂易产生副产物的技术瓶颈。通过翔实的实验数据与理论模型，揭示了秸秆碳基材料与半导体催化剂的协同作用机制。

动力工程及工程热物理”一级学科带头人，“流体机械与工程”省级重点学科负责人，“流体机械安全节能技术”吉林省工程实验室主任，“多能源互补高效供能管理技术”国家地方联合工程实验室负责人，“热能与动力工程”国家特色专业带头人，“工程流体力学”国家精品资源共享课程负责人，“能源动力类专业基础课程”国家优秀教学团队负责人，“能源有效利用与热力设备安全节能”教育部创新团队学科方向带头人，“能源动力工程实验教学示范中心”国家级实验教学示范中心负责人，“热能利用系统节能”吉林省协同创新中心负责人。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 工程背景及研究意义 1
1.2 光催化分解水制氢研究现状及发展趋势 3
1.2.1 光催化剂 5
1.2.2 助催化剂 9
1.2.3 牺牲剂 10
1.2.4 光源对光催化制氢影响因素 12
1.2.5 生物质重整光催化分解水制氢 13
1.3 存在问题及发展趋势 17
参考文献 19
第2章 制氢方法及玉米秸秆特性 23
2.1 氢气的制备方法 23
2.1.1 蒸汽甲烷重整制氢 24
2.1.2 部分氧化法制氢 25
2.1.3 自热重整法制氢 25
2.1.4 氨分解法制氢 25
2.1.5 生物法制氢 26
2.1.6 生物质气化法制氢 26
2.1.7 光生物分解水制氢 26
2.1.8 等离子体重整 26
2.1.9 煤炭制氢 27
2.1.10 电解水制氢 27
2.1.11 光催化分解水制氢 28
2.2 秸秆基本特征 29
2.2.1 玉米秸秆中木质素特性 29
2.2.2 玉米秸秆中纤维素特性 29
2.2.3 玉米秸秆碳基衍生物 30
2.3 小结 31
参考文献 32
第3章 新型高效复合光催化材料的表征及制氢实验 36
3.1 光催化剂表征 36
3.2 电化学特性表征 39
3.3 玉米秸秆表征方法 40
3.4 实验装置及使用方法 43
3.4.1 模拟光催化制氢装置及使用方法 43
3.4.2 太阳光催化制氢装置及使用方法 44
3.5 小结 45
参考文献 45
第4章 玉米秸秆作为牺牲剂的光催化复合材料制备及制氢性能 47
4.1 玉米秸秆作为牺牲剂的光催化复合材料制备及表征[1] 47
4.1.1 玉米秸秆牺牲剂制备 47
4.1.2 光催化复合材料制备 49
4.1.3 TiO2体系光催化剂性能表征 52
4.1.4 g-C3N4体系光催化剂性能表征 57
4.1.5 小结 66
4.2 以玉米秸秆为牺牲剂的光催化制氢研究 67
4.2.1 玉米秸秆为牺牲剂光催化制氢实验 67
4.2.2 光催化制氢结果分析 68
4.3 玉米秸秆光催化制氢体系对制氢的影响因素 78
4.3.1 天然玉米秸秆反应条件优化[9] 80
4.3.2 玉米秸秆中不同组分对光催化制氢的影响 82
4.3.3 pH对玉米秸秆反应体系制氢性能影响与机理 86
4.3.4 常见阴阳离子对玉米秸秆制氢反应体系的影响与机理 89
4.3.5 小结 93
参考文献 95
第5章 玉米秸秆牺牲剂改性及光催化制氢性能分析 96
5.1 玉米秸秆改性方法 96
5.1.1 物理法 96
5.1.2 化学法 97
5.1.3 生物法 98
5.1.4 组合法 98
5.2 酸改性法制氢性能分析 99
5.2.1 酸改性材料制备方法 99
5.2.2 酸改性材料表征及性能分析[17] 101
5.3 碱改性法制氢性能分析 111
5.3.1 碱改性材料制备方法 111
5.3.2 碱改性材料表征及性能分析 112
5.4 非金属改性制氢性能分析 122
5.4.1 氮元素改性玉米秸秆方法 122
5.4.2 磷元素改性玉米秸秆方法 123
5.4.3 硫元素改性玉米秸秆方法 123
5.4.4 非金属改性材料表征及性能分析[27] 124
5.5 尿素改性条件光催化制氢影响研究 135
5.5.1 尿素改性材料制备方法 135
5.5.2 尿素改性材料表征及性能分析[28] 135
5.6 小结 144
参考文献 145
第6章 玉米秸秆衍生物生物炭复合材料制备及制氢性能 148
6.1 TiO2/Pt/生物炭复合光催化材料的制备及其在不同光源下光催化分解水制氢性能研究 148
6.1.1 材料的制备 148
6.1.2 光催化制氢方法 150
6.1.3 不同光源下光催化分解水制氢性能分析[1] 150
6.1.4 TiO2/Pt/生物炭复合材料的表征 152
6.1.5 TiO2/Pt/生物炭复合材料光电特性分析 157
6.2 Cu2+、生物炭共掺杂的TiO2/Pt复合光催化材料制备及制氢性能研究 159
6.2.1 光催化材料制备方法 159
6.2.2 光催化材料表征及性能分析 161
6.3 碳球掺杂Cu2+耦合2Dg-C3N4/WO3/生物炭复合材料的制备及其不同光源光催化分解水制氢性能研究 173
6.3.1 复合材料制备及方法 173
6.3.2 不同光源下光催化分解水制氢性能分析[5] 175
6.3.3 碳球掺杂Cu2+耦合2D g-C3N4/WO3/生物炭复合材料的表征 178
6.4 小结 185
参考文献 186
第7章 玉米秸秆衍生物碳微球复合材料的制备及制氢性能 188
7.1 2D g-C3N4/WO3-碳微球复合材料的制备及其在不同光源下光催化分解水制氢性能研究 188
7.1.1 材料的制备及方法 188
7.1.2 不同光源下光催化分解水制氢性能分析 190
7.1.3 2D g-C3N4/WO3/碳微球复合材料的表征 193
7.2 CdS/g-C3N4-玉米秸秆衍生物碳微球复合材料制备及不同光源光催化分解水制氢性能研究 206
7.2.1 材料的制备及方法 207
7.2.2 不同光源下光催化分解水制氢性能分析 208
7.2.3 CdS/g-C3N4-碳微球复合材料的表征 210
7.3 小结 220
参考文献 221
第8章 玉米秸秆衍生物类石墨烯复合材料的制备及制氢性能 222
8.1 材料的制备及方法 222
8.1.1 催化剂的制备 222
8.1.2 光催化制氢方法 223
8.2 不同光源下光催化分解水制氢性能分析 223
8.3 TiO2/WO3/类石墨烯复合材料的表征 225
8.3.1 表观形貌和微观结构分析 225
8.3.2 TiO2/WO3/类石墨烯复合材料光电特性分析 231
8.3.3 TiO2/WO3/类石墨烯复合材料光催化分解水制氢机理分析 234
8.4 小结 236
参考文献 236
第9章 太阳光驱动玉米秸秆制氢因素与综合分析 238
9.1 太阳光催化制氢性能分析 238
9.1.1 复合材料制备方法 240
9.1.2 反应器吸收太阳光辐照强度变化 241
9.1.3 辐照强度对制氢量的影响 243
9.1.4 反应温度对制氢的影响与规律 244
9.1.5 可见光波段与全光波段的制氢性能对比 245
9.2 太阳光与模拟光制氢性能对比分析 246
9.3 小结 247
参考文献 248