仿生纳米纤维氧化铈材料的合成及其人工光合作用

发布时间：2017-04-26 22:16

  本文关键词：仿生纳米纤维氧化铈材料的合成及其人工光合作用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大自然的演变进化孕育了各种自然生物体的独特结构、形貌组态和特殊能,为社会的文明和历史的进步提供了巨大的推动力。仿生技术是人类对大自然的模仿,使人工材料具有自然生物体性能或结构,其中生物模板法是复制自然界大量生物组织具有的独特分级多孔结构,合成微米级甚至是纳米级三维多孔无机材料的一种方法。所合成的无机材料不仅继承了生物材料独特的高孔隙率和微纳米分级结构,增加了反应的接触面积,同时保留了生物材料中丰富的生物质氮源,通过生物质氮掺杂入无机材料晶格形成畸变和缺陷,有效的提高材料的光催化活性。生物模板从最初的植物、动物细胞组织等微米结构到之后的细菌、病毒、生物蛋白等纳米结构,形成了从宏观物质到微观生物,最后扩展到整个自然界的研究轨迹。这类特殊的材料在光催化反应、汽车尾气处理、传感器制造、以及生物医学等领域表现出了诱人的应用前景。人工光合作用是借助半导体材料的光催化活性,模拟自然界的光合作用,通过太阳光解水产生氢气,同时固定CO_2并还原成有机小分子。氢气和有机小分子作为一种清洁可再生的能源,耐贮藏运输,燃烧时能产生大量的能量,从而转换成热力和电力,对于当今能源匮乏的时代,这是一种具有革命性潜力的能源转化方式。以方便简单廉价的方法制造能源成为材料和环境科研工作者共同的追求。目前,最主要的半导体光催化剂是TiO_2,以及衍生而来的金属离子或非金属元素掺杂TiO_2。但是由于高昂的成本以及氧化钛基材料对太阳能较低的利用率,开发在可见光区对水进行光催化分解的催化剂成为了国内外广泛研究的重点。CeO_2独特的结构特征不但增强了氧化铈晶体中的氧空位,也导致了导带和价带的变化,从而减小了材料的禁带宽度,增强了对可见光的吸收,提高了光催化性能。仿生结构氧化铈不仅能够在紫外光区有较高的光催化性能,而且对于可见光区域的响应能力也较强,由此推断其对水的光诱导分解也应该有较高的光催化效率。以丝瓜络、化妆棉以及豆芽为生物模板,经硝酸铈溶液浸渍、煅烧制备得到仿生纳米纤维管状CeO_2材料。采用荧光显微镜、X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪、扫描电子显微镜(FESEM)以及透射电子显微镜(TEM)等检测仪器对合成样品进行表征。结果表明:所得样品不仅去除了原模板,并且保持了生物模板的微管形态和特征。能精确复制生物模板形貌的材料均是由10nm以下的立方萤石结构的纳米氧化铈颗粒组成,仿丝瓜络、化妆棉、豆芽模板合成的纳米氧化铈材料的比表面积分别为148 m2/g、118 m2/g以及168 m2/g。采用XPS和EDS对合成样品的元素组分进行定性定量分析,结果表明,合成的材料中成功保留了原生物模板中的氮源,实现了生物氮掺杂。氮掺杂大幅度的增加了氧缺陷的比例,提高了材料的储氧能力,增强了对可见光的吸收能力。在紫外漫散射实验中,仿生纳米氧化铈材料均发生了明显的红移,同时禁带宽度也相应的减小。在亚甲基蓝降解实验以及光解水制氢实验中表现出良好的光催化活性。仿豆芽纳米氧化铈材料对亚甲基蓝的降解效率在100min时几乎可以达100%,360min后的光解水产氢量也可以达到400μmol/g,其次是仿丝瓜络纳米氧化铈。
【关键词】：生物模板 纳米纤维 氧化铈 氮掺杂 人工光合作用
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TQ343
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 前言12-13
• 1.2 人工光合作用的研究进展13-16
• 1.2.1 光解水制氢14-15
• 1.2.2 固定CO_2还原有机小分子15-16
• 1.3 半导体光催化剂的研究进展16-18
• 1.3.1 二氧化钛16-17
• 1.3.2 改性TiO_2光催化剂—掺杂17-18
• 1.3.3 纳米氧化铈18
• 1.4 仿生纳米CeO_2光催化剂的研究应用18-20
• 1.4.1 仿生纳米CeO_2的结构18-19
• 1.4.2 仿生纳米CeO_2的光催化应用19-20
• 1.5 本课题的研究意义及内容20-22
• 1.5.1 本课题的研究意义20
• 1.5.2 本课题的研究内容20-22
• 第二章 纳米仿生纤维管状材料的制备、表征及结构分析22-50
• 2.1 试剂与仪器23
• 2.2 仿生纳米CeO_2的合成23-26
• 2.2.1 仿丝瓜络模板纳米纤维管状氧化铈的合成23-24
• 2.2.2 仿化妆棉模板纳米纤维管状氧化铈的合成24-25
• 2.2.3 仿豆芽模板纳米纤维管状氧化铈的合成25-26
• 2.3 仿丝瓜络模板结构与形貌讨论26-33
• 2.3.1 预处理后样品形貌26-27
• 2.3.2 不同反应浓度（MTC）对样品形貌的影响27-28
• 2.3.3 不同反应温度对样品形貌的影响28-29
• 2.3.4 不同反应时间对样品形貌的影响29-30
• 2.3.5 仿丝瓜络纳米CeO_2的表征30-33
• 2.4 仿化妆棉模板结构与形貌讨论33-40
• 2.4.1 预处理后样品形貌33
• 2.4.2 不同反应浓度（MTC）对样品形貌的影响33-35
• 2.4.3 不同反应温度对样品形貌的影响35-36
• 2.4.4 不同煅烧温度对样品形貌的影响36-37
• 2.4.5 仿化妆棉纳米CeO_2的表征37-40
• 2.5 仿豆芽模板结构与形貌讨论40-47
• 2.5.1 预处理后样品形貌40
• 2.5.2 不同配比（MTC）对样品形貌的影响40-42
• 2.5.3 不同煅烧温度对样品形貌的影响42-43
• 2.5.4 不同煅烧时间对样品形貌的影响43-44
• 2.5.5 仿豆芽纳米CeO_2的表征44-47
• 2.6 CeO_2形成机理分析47-48
• 2.7 本章小结48-50
• 第三章 纳米纤维管状氧化铈催化性能研究50-63
• 3.1 实验50-51
• 3.1.1 材料催化性能表征50
• 3.1.2 对染料降解的催化实验50-51
• 3.2 结果与讨论51-62
• 3.2.1 XPS分析51-56
• 3.2.2 材料的光吸收分析56-58
• 3.2.3 材料的氧活性分析58-60
• 3.2.4 染料降解分析60-62
• 3.3 本章小结62-63
• 第四章 纳米仿生氧化铈材料的人工光合作用63-78
• 4.1 实验63-66
• 4.1.1 材料的表征63-64
• 4.1.2 实验装置64-66
• 4.1.3 实验过程66
• 4.2 光解水制氢结果与讨论66-70
• 4.2.1 不同种类氧化铈材料光解水制氢活性66-67
• 4.2.2 不同MTC合成的仿丝瓜络氧化铈的光解水制氢活性67-68
• 4.2.3 不同反应温度合成仿化妆棉氧化铈的光解水制氢活性68-69
• 4.2.4 不同煅烧温度合成仿豆芽氧化铈的光解水制氢活性69-70
• 4.3 光催化还原CO_2结果与讨论70-74
• 4.3.1 不同种类氧化铈材料光催化还原CO_2产甲醇活性70-71
• 4.3.2 不同反应时间合成的仿丝瓜络CeO_2的光还原CO_2活性71-72
• 4.3.3 不同煅烧温度合成仿化妆棉CeO_2的光还原CO_2活性72-73
• 4.3.4 不同煅烧时间合成仿豆芽CeO_2的光还原CO_2活性73-74
• 4.4 人工光合作用机理分析74-76
• 4.5 本章小结76-78
• 第五章 结论与展望78-80
• 5.1 结论78-79
• 5.2 展望79-80
• 参考文献80-88
• 致谢88-89
• 研究生期间发表论文89

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