纳米二氧化钛基光催化剂的改性和光催化性能研究

发布时间：2018-10-30 10:17

【摘要】：光催化利用太阳能制氢和消除污染物是近年来的研究热点。在光催化反应中,光生电子的分离效率和入射光的利用率是决定光催化剂活性的关键因素,也是太阳能能否被高效转化利用的关键。本论文选取TiO2基光催化剂作为研究对象,对其进行氢化改性研究,并应用于模拟太阳光下的光解水制氢;此外,还设计和制备了一系列TiO2负载的吸收频率可调的表面等离子体共振(SPR)光催化剂(AgxAu1-x-TiO_2),应用于有机染料罗丹明B(Rh B)在可见光下的催化降解。对TiO2光催化剂(如P25)的氢化处理是提高其光催化性能的有效方法。论文首先以P25为原料,采用传统的浸渍-还原法制备Pt-P25催化剂前驱体,再在不同温度下对其进行氢化处理,运用氢的程序升温还原(H2-TPR)技术优化出了催化剂的最佳氢化处理温度为400oC;首次将传统催化中的氢溢流效应引入到催化剂的氢化处理中,结果表明,贵金属Pt上的氢溢流效应对P25的氢化有显著的增强作用,使Pt-P25-400催化剂同时具有良好的模拟太阳光分解水制气活性和催化稳定性,其产氢量为纯P25的38倍(7.7 mmol·h·g-1)。TEM等表征结果显示,氢溢流辅助氢化处理可以在TiO2纳米颗粒表面产生氧空位,并形成一层无序层,明显提高了光生载流子的分离效率。结合催化剂的性能和表征结果,我们提出了氢溢流辅助氢化的反应机理。高结晶度的一维TiO2纳米带具有光生载流子传输速度快的优点,而氢溢流辅助氢化处理对高结晶度的TiO2的光催化活性具有明显的增强作用。根据H2-TPR结果筛选出700 oC为最佳氢气处理温度,氢化的Pt-Belt-700样品的产氢量达到16.6 mmol·h·g-1,是纯TiO2纳米带的10倍。HRTEM,XPS,in situ Raman,EPR和正电子湮灭谱等结果表明,氢溢流辅助氢化使催化剂表面物理化学状态发生了明显的改变,增加了TiO2纳米带表面缺陷浓度,减少了其体相缺陷浓度,有利于光生载流子的分离,从而提高了其在模拟太阳光下的分解水制氢活性。对氢溢流辅助氢化半导体光催化剂这一合成策略的普遍适用性从两方面进行了研究:一方面,采用不同的贵金属,如Pd、Rh和Ru等,考察氢溢流辅助氢化TiO2的效果;另一方面,仍采用贵金属Pt,但更换不同的半导体材料,如ZnO和WO3,考察氢溢流辅助氢化的效果。结果表明,氢化处理的含有不同种类贵金属或不同种类半导体的光催化剂在模拟太阳光下的分解水制氢活性都有明显提高,证明了氢溢流辅助氢化半导体这一策略具有普适性。将光沉积还原法与离子交换反应相结合,设计并合成了一系列负载Ag-Au合金的光催化剂AgxAu1-x-TiO2,应用于RhB的可见光降解。EDS Line-Scanning结果显示,纳米颗粒同时含有Ag和Au两种元素,证明了合金的形成;UV-vis DRS结果表明,所得催化剂具有可调变的SPR频率。活性测试结果表明,负载Ag-Au合金纳米颗粒的光催化剂比单一组分的光催化剂的可见光降解RhB的活性更高;通过机械混合不同组分的光催化剂可以进一步拓宽催化剂对入射光的吸收范围,从而提高其光催化活性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O614.411;TQ116.2

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