含铟的多元氧化物半导体光催化剂的制备与性能研究

发布时间：2020-06-30 04:50

【摘要】：在能源危机和环境污染带来的考验下,光催化技术的出现无疑为这一难题提供了更多的选择。在光催化领域中,研究最广泛也是最经典的光催化材料要数TiO_2与ZnO,虽然已经商业化并走上市场,但只能在紫外光作用下才能发挥作用的短板限制了其在室外太阳光下的运用。为此,开发新型的可见光光催化剂是目前研究的方向之一。本论文立足于开发可见光响应的光催化材料,围绕含铟的多元氧化物半导体材料展开研究,配合X射线粉末衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外-可见光漫反射光谱、X射线光电子能谱及比表面积测试等表征手段,对几种含In的光催化材料进行了结构、形貌和光催化性能方面进行分析和研究。主要内容如下:第一章,主要介绍了本论文的研究背景。主要包含了光催化剂的工作原理,应用领域,其发展历史与研究现状;然后重点介绍了与本论文研究相关的铟体系半导体光催化剂以及这些光催化剂的合成方法,晶体结构,光催化性能等,在前人的研究基础上提出了本论文的选题依据和研究内容。第二章,列出了本论文所包含的光催化剂的原料、实验设备、制备方法、一系列表征与测试分析手段,并简要地介绍了一些仪器的工作原理。第三章,采用柠檬酸络合法成功制备了In_2Cu_2O_5光催化材料,所合成的样品为单相的纳米材料,结晶性良好,粒度大约在50nm左右且分布均匀,本样品的比表面积达到了36.7 m~2/g,具备较高的表面活性;紫外-可见光漫反射吸收光谱表明,所合成的样品具有良好的光吸收能力,其禁带宽度为2.31eV;在可见光照射下,3小时可以将亚甲基蓝溶液降解90%以上,拥有良好的光催化性能;In-5s/5p和O-2p轨道杂化减少了In_2Cu_2O_5的带隙宽度;[InO_6]八面体层产生的内电场加速了光生载流子的分离,给光催化反应提供了良好的条件。第四章,通过柠檬酸络合法成功制备了一种新型的间接带隙半导体光催化剂In_2Fe_2CuO_7,借助X射线衍射,扫描电镜和透射电镜分析,得出此样品的物相为六方相,由结晶良好的圆球状纳米颗粒组成;结合结构精修发现,层状结构的In_2Fe_2CuO_7在[001]方向由InO_6八面体层和MO_5(M=Cu/Fe)层相互交叠而成,有利于光生载流子的分离与移动;在以亚甲基蓝溶液模仿水体污染物时,300min左右能够将其降解掉95%,降解反应符合准一级动力学,经计算其降解亚甲基蓝溶液的动力学常数为0.0311min~(-1)。第五章,通过柠檬酸络合法制备出了CuIn AlO_4光催化剂,对样品进行了结构,形貌,比表面积,光吸收等一系列表征;发现CuInAlO_4是禁带宽度为2.19eV的直接带隙半导体。利用光催化平台模拟太阳光对亚甲基蓝溶液进行光降解试验来测试样品的光催化活性;发现该催化剂在150min内对亚甲基蓝溶液的降解率达到90%以上,降解动力学常数为0.0177min~(-1),是同等条件下TiO_2光催化剂的9倍,说明Cu InAlO_4拥有较高的光催化活性;结合相结构和能带组成分析了此光催化剂的光催化活性原因;除此之外,活性自由基捕获实验也为解释光催化的机理提供了依据;循环实验也验证出该催化剂化学稳定性优良,可以重复利用,符合当下绿色环保的理念。第六章是对全文的概括与总结。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O644.1
【图文】：

原理图,半导体光催化,原理图,半导体光催化剂

含铟的多元氧化物半导体光催化剂的制备量太高，引起的导电作用几乎可以忽略不计；半导体的禁带宽度较，带隙宽度一般在 1~4eV。当半导体光催化剂在受到能量大于 Eg带上的电子会被激发，受激的电子会穿过禁带进入导带，使得原本子而价带因失去电子形成空穴[10-12]，光生载流子的参与使催化反应

示意图,制氢,光催化,示意图

4图 1-2 光催化裂解水制氢示意图[27]Fig. 1-2 Mechanism of photocatalytic water splitting for H2化碳光还原求的迅速增长，使二氧化碳的排放也急剧增加，温室效应引起的一早已经制约了人类的发展。如何缓解温室效应，减少大气中的 CO决的环境问题之一。模拟自然界中植物的光合作用，利用半导体光使太阳能以化学能的形式保存下来，为解决这一难题提供了可能。直接的产物就是 CH4[28]，CH3OH[29]，HCOOH[30,31]，HCHO[32]，虽很低而且都还处于实验室研究的阶段，但是，通过日后对催化剂体

【参考文献】