钒酸铋及其复合半导体纳米催化剂的设计、制备与催化性能研究

发布时间：2020-06-07 14:50

【摘要】：近年来,随着经济的快速发展,化石能源的急剧消耗所带来的环境污染和能源危机问题日益突出,对人类的生存和健康产生严重的威胁。选择合适的催化材料,充分利用太阳能治理环境污染并且产生可持续发展绿色能源是对我们提出的新要求和新任务。钒酸铋(BiVO_4)是一种催化性能良好,可见光响应较好的常见窄带隙半导体催化材料。本文以BiVO_4催化剂为主线,通过晶相结构调控、贵金属掺杂、半导体复合等改性方式来设计-合成钒酸铋半导体复合材料,从而提高催化活性。采用一系列的表征方法深入讨论了半导体催化材料的催化性能和反应机理。具体内容如下:1.通过水热法调节前驱体的pH值来控制合成不同的BiVO_4粉末,通过XRD、SEM、TEM、BET等表征方法研究了其晶相结构、形貌以及比表面积的变化,并且比较了其在可见光下(λ≥420 nm)分解水产氧的性能。最后表明前驱体p H值为8时,单斜白钨矿钒酸铋(ms-BiVO_4),具有相对最大的比表面积和最小的带隙值,表现出最优的光解水产氧性能,其速率为173.19μmol/g/h。所以,通过密度泛函理论(DFT)计算分别对tz-BiVO_4和ms-Bi VO_4两种不同晶相的BiVO_4的能带结构与电子激发的跃迁形式对可见光产氧性能的影响作了进一步讨论。2.进一步改进合成方法,通过水热和煅烧两步合成不同形貌的Bi VO_4。采用对硝基苯酚还原实验评估其催化活性,并且深入探讨其催化活性动力学和普适性。随后结合光沉积法制备了不同Ag含量的XAg/BiVO_4催化剂,其在4-NP的还原实验中表现出较高的活性和稳定性,这是由于Ag的负载增加了更多的活性位点而且加快了电子转移速率。8Ag/BiVO_4在2 min将4-NP(20 mg/L)近99.7%还原,且还原速率常数为1.967 min~(-1)。最后我们也提出了其催化还原4-NP的机理,并且通过理论计算做了进一步证明。3.以Au纳米颗粒作为电子传递中间体来调控g-C_3N_4/BiVO_4复合相界面电荷转移方式,设计-合成Au/g-C_3N_4/BiVO_4三相Z型异质结催化剂,有利于提高光生载流子的分离与转移速率,并且增强复合半导体的氧化还原能力。再结合贵金属Au纳米颗粒的SPR效应,所以显著提高了半导体的在可见光下分解水产氢的性能。所以,三相催化剂4Au9C1B呈现最好的产氢性能,在可见光下平均产氢速率达到390μmol·g~(-1)·h~(-1),远远高于纯相CN,xCyB,x AuCN。然后通过光电流测试和活性物种捕获实验,更加有力地对其反应机理作出了证明。
【图文】：

示意图,半导体表面,光激发,路径

学科领域的研究重点。1.2 半导体光催化作用反应原理化剂，是在光的激发下，在半导体表面发生催化反应，将光进反应的物质。半导体催化材料的能带结构一般与金属的能 Band，VB)和导带(Conduction Band，CB)之间存在一个禁带，禁带宽度激发所需的能量时，半导体受到激发，价带上的电子带跃迁到导带，于是在价带产生光生空穴(h+)，在导带产生光库仑力的作用下形成了电子-空穴对[16]。在价带上的光生空剂表面的物质氧化；在导带上的光生电子具有还原性，可以所以，会在半导体表面发生光催化氧化还原反应。

示意图,光解水,反应能,示意图

当一部分的电子和空穴会发生体内复合（途径 C），还有一部分电子和时发生复合（途径 B），，只有少量的跃迁到半导体表面且未发生复合电体或电子供体发生反应（途径 D 和途径 E）。因此，选择高效的方法加分离并且有效地抑制光生电子-空穴对的复合是提高半导体光催化剂催体催化剂光解水的原理为了解决能源问题，我们要充分利用太阳能实现光解水制氢。图 1.2 的原理图[18]。从图中我们可知，实现光解水产氢和产氧需要半导体原能力。只有半导体材料的导带电位比氢电极电位 H+/H2（0 eV vs N比氧电极电位 O2/H2O（+1.23 eV vs NHE）更正时，光生电子-空穴才氧气，还原为氢气。
【学位授予单位】：内蒙古大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB383.1

【参考文献】