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摘要：日益枯竭的化石能源和以化石能源为基础的工业化造成的污染，使人类对清洁可再生能源要求越来越紧迫。作为清洁能源的代表，太阳能和氢能受到广泛的关注。太阳能取之不尽，用之不竭，而利用光催化半导体在太阳光辐照下光催化分解水制取氢气是实现由太阳能到氢能转化的有效途径之一。树叶的光合作用作为人工光合作用的蓝本，在反应机理上，通过叶绿体中的自然Z型光合作用反应机制实现对太阳能的吸收和转化。在结构上，纳米层状的类囊体堆栈、缘晶状的表皮细胞、栅栏组织、无规则海绵组织和多孔叶脉共同构成的树叶分级结构能高效捕获入射光线。宽带凤蝶的黑色蝶翅同样是通过蝶翅鳞片的周期性结构和色素成分的结合，实现对阳光的高效吸收利用。其反V型的脊及亚波长的纳米孔阵列对光波的散射漫反射作用能降低对光的反射。启迪于自然光合作用以及黑色蝶翅通过结构和组分的耦合作用高效利用太阳光，本论文将人工Z型光合系统与生物分级结构相结合，构筑生物分级构造CdS/Au/TiO_2Z型反应光解水系统用于光催化分解水产氢。实验分别选取了树叶模板和黑色蝶翅模板合成生物分级结构CdS/Au/TiO_2Z型光解水系统，并比较了不同组分光催化剂的光吸收和光催化分解水产氢效率。本探讨的主要内容和结果如下：1.基于天然树叶有利于光捕获的分级多孔结构和自然Z型光合作用，以晚樱树叶为模板通过浸渍-烧结法合成了氮自掺杂TiO_2（N-TiO_2），并以N-TiO_2为基体用两步光化学沉积法进一步合成树叶分级结构的CdS/Au/N-TiO_2用于光解水产氢。用XRD，EDS和ICP对样品的成分进行浅析，证实得到了由锐钛矿相TiO_2基体、Au和纤锌矿相的CdS组成的CdS/Au/N-TiO_2。用FESEM、TEM和HRTEM对其进行形貌结构观察，表明N-TiO_2复制了原始树叶的分级多孔结构，且Au和CdS以核壳结构（Au为核，CdS为壳）沉积在N-TiO_2基体上。用UV-vis吸收光谱对不同样品的光吸收性能进行表征，证实与非Z型组分相比，CdS/Au/N-TiO_2具有最高的光吸收强度，尤其增强了对可见光的吸收。通过比较不同组分样品的光解水产氢速率，证实了CdS/Au/N-TiO_2Z型光解水系统与树叶分级结构的耦合，能大幅提升了光解水产氢效率，在可见光照射条件下将光解水效率提升至Au/N-TiO_2的270倍，商业CdS的5倍。通过比较不同样品的荧光衰减速率，证实了CdS/Au/N-TiO_2这种异质结构能有效抑制光生电子—空穴对的复合，以而提升光催化效率。2.启迪于宽带凤蝶黑色蝶翅的光学减反结构和自然Z型光合作用，以黑色蝶翅为模板，将蝶翅结构与CdS/Au/TiO_2Z型光解水系统结合，通过蝶翅鳞片的孔尺寸和紫外光线波长的耦合及漫反射，进一步提升光催化剂的光捕获性能和光解水产氢性能。用浸渍烧结法和两步光沉积法合成了蝶翅结构CdS/Au/TiO_2Z型光解水催化系统。通过FESEM、TEM对样品进行形貌观察，证实了Z型系统和蝶翅结构的良好结合。利用有限时域差分法（FDTD）模拟计算证实了蝶翅结构TiO_2通过反V型脊和蜂窝状孔阵列的协同作用来提升整体对光的减反、吸收效率，且在水中蝶翅结构对光的散射漫反射作用更加强烈。紫外可见UV-vis吸收谱和光解水制氢则以实验上证实了蝶翅结构和Z型光解水系统的耦合对光捕获和光解水效率的推动作用。与那些仅仅关注结构优化或组分优化之一的光解水系统相比，将Z型光解水组分与有利于光捕获的自然分级结构相耦合无疑是对自然光合作用更加全面的模拟。自然界有如此丰富的生命形式，通过探讨自然生物高效利用阳光的结构以及生物化学反应的机理，提取这些优化的结构以及能量物质传递的策略，对于构建更加高效的人工光合作用系统用于光解水产氢、解决能源危机提供了参考。关键词：生物启迪论文分级构造论文CdS/Au/TiO_2论文Z型光解水论文
摘要3-6
ABSTRACT6-13
第一章 绪论13-30
1.1 前言13-14
1.2 自然光合作用和人工光合作用的 Z 型反应原理14-16
1.3 人工 Z 型光合作用系统16-21
1.3.1 含电子介体的 Z 型光解水系统16-18
1.3.2 无电子介体的 Z 型光解水系统18-20
1.3.3 影响 Z 型光催化性能的因素20-21
1.4 启迪于自然的结构优化21-24
1.5 选题的作用及探讨内容24-25
1.5.1 选题作用及探讨目的24-25
1.5.2 探讨内容25