三元铝基复合氧化物光催化剂的制备及其活性研究
发布时间：2020-09-16 11:56
随着全球工业化的迅猛发展,所造成的环境污染问题也日趋严重。半导体光催化技术是解决能源和环境危机的有效策略,它利用光照条件下催化剂能够产生的光生电子和空穴实现污染的消除或能源的产生。为了实现光催化技术在大规模工业上的应用,应用地壳表面丰富的元素制备低价格的光催化剂是一个关键步骤。以地壳含量丰富的铝和镁为原料制备的镁铝水滑石(MgAl-LDHs),因其禁带宽度大,不能转移自由电子,限制了其在催化领域的应用。考虑到镁铝水滑石为层状结构,表面有大量的氧暴露。又通过研究发现构建表面氧空位能够有效缩短材料的本征禁带宽度,增强对光的吸收。因此,本文通过水热法合成出具有表面氧空位的镁铝水滑石。采用XRD、SEM、TEM、DRS、PL、BET等手段对材料进行了表征,并通过在模拟太阳光下降解无色苯酚溶液确定用硝酸铝、硝酸镁、氢氧化钠和碳酸钠制备的材料的光催化活性最高,这是归因于其表面含有丰富的氧空位,能使原本因为禁带宽度大而无法跃迁的价带电子,通过中间能级跃迁到导带上,有效的转移光生电子,增强对光的利用率。单一的镁铝水滑石(MgAl-LDHs)对太阳光的利用率低,为了促进半导体对光的吸收,增强光生载流子的分离效率。构筑异质结是很好的选择。本文通过一步水热法构筑CoAl-LDHs/MgAl-LDHs异质结,改善MgAl-LDHs对光响应范围窄这一主要缺点,使其在紫外-可见区域有了明显的光吸收。由于MgAl-LDHs具有缺陷,能够有效的转移CoAl-LDHs产生的光生电子,提高光生电子-空穴对的分离效率。通过光催化降解苯酚,发现异质结的光催化活性要比单一物质的高。进一步探究发现,镁铝水滑石(MgAl-LDHs)经过不同温度煅烧,形成含有无定形成分的镁铝尖晶石(MgAl_2O_4)。理论计算表明,纯MgAl_2O_4晶体的禁带宽度为7.505 eV,价带的顶主要由Mg-p和O-p杂化形成,而导带底主要来源于Mg-s/p和O-s/p。UV-vis DRS结果显示,含无定形成分的MgAl_2O_4可吸收紫外光,其带隙为3.90 eV,这是由于较长的Mg-O键和存在缺陷引起的。在紫外光照射下,通过降解甲基蓝(MB),对MgAl_2O_4的光催化活性进行评价。提出了MgAl_2O_4的电子传递路线和光催化机理。利用Motts-schottky电化学测量获得了MgAl_2O_4导带电势。
【学位单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;O644.1
【部分图文】：
-1 0 1 2 3 40.50.6Irradiation tim e (h)no scavengerIPAB QED TA-2N a图 3-11 LDH-3 的捕获剂试验图3.5 光催化机理基于以上试验分析和活性物种的研究，所提出了可能的光催化过程的机理，图 3-12 所示。当光照射到含有氧空位的 MgAl-LDHs 的表面时，处在价带上的电跃迁到缺陷能级或导带上，在价带位相应的位置上留下空穴，空穴能够直接氧化解污染物，还可以与水反应生成 OH。处在高能级的电子能够与空气中的氧反应生成 O2-， O2-可以与水反应生成 OH。在空穴和自由基的共同作用下，苯酚得以解。催化剂表面的氧缺陷能够有效的捕获光生电子，抑制光生电子-空穴对的分离缺陷能级起到中间能级的作用，能使因为禁带宽度大而无法跃迁的光生电子迁移导带上，提高光催化效率。
25图 4-1 不同样品的 N2吸/脱附等温线以及相应的孔容孔径分布图a) MgAl-LDHs;b) 0.09 Co-Mg; c) 0.20 Co-Mg; d) 0.33 Co-Mg; e) 0.50 Co-Mg; f) CoAl-LDHs表 4-2 显示了样品的孔容、孔径和比表面积结果。因为 CoAl-LDHs 的表面积较小，因此随着 CoAl-LDHs 的含量的增加，异质结结构的比表面积逐渐减小，但整体来说，降低的幅度较 CoAl-LDHs 的增加量小得多，尤其是在 0.20-0.50 Co-Mg 异质结处。CoAl-LDHs 的加入增强了整体的活性位点的暴露，从而有利于光催化效率的提高
图 4-12 异质结光催化降解苯酚机理图4.6 本章小结为了增强 MgAl-LDHs 对光的相应，增加 CoAl-LDHs，通过一步水CoAl-LDHs/MgAl-LDHs 异质结。当 CoAl-LDHs 与 MgAl-LDHs 的摩尔比制备的异质结样品表现出最高的光催化活性。这归因于一下几方面：一，C的加入增强了样品的光响应范围，MgAl-LDHs 比表面积较大对苯酚的吸附两者优势互补；二，层状结构之间的异质结，有利于增加接触位点，便于迁移；三，两种化合物能带结构相互匹配，具有缺陷态的 MgAl-LDHs 能够CoAl-LDHs 产生的光生电子，提高光生电子-空穴对的分离效率，增强光催
本文编号：2819828
【学位单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;O644.1
【部分图文】：
-1 0 1 2 3 40.50.6Irradiation tim e (h)no scavengerIPAB QED TA-2N a图 3-11 LDH-3 的捕获剂试验图3.5 光催化机理基于以上试验分析和活性物种的研究，所提出了可能的光催化过程的机理，图 3-12 所示。当光照射到含有氧空位的 MgAl-LDHs 的表面时，处在价带上的电跃迁到缺陷能级或导带上，在价带位相应的位置上留下空穴，空穴能够直接氧化解污染物，还可以与水反应生成 OH。处在高能级的电子能够与空气中的氧反应生成 O2-， O2-可以与水反应生成 OH。在空穴和自由基的共同作用下，苯酚得以解。催化剂表面的氧缺陷能够有效的捕获光生电子，抑制光生电子-空穴对的分离缺陷能级起到中间能级的作用，能使因为禁带宽度大而无法跃迁的光生电子迁移导带上，提高光催化效率。
25图 4-1 不同样品的 N2吸/脱附等温线以及相应的孔容孔径分布图a) MgAl-LDHs;b) 0.09 Co-Mg; c) 0.20 Co-Mg; d) 0.33 Co-Mg; e) 0.50 Co-Mg; f) CoAl-LDHs表 4-2 显示了样品的孔容、孔径和比表面积结果。因为 CoAl-LDHs 的表面积较小，因此随着 CoAl-LDHs 的含量的增加，异质结结构的比表面积逐渐减小，但整体来说，降低的幅度较 CoAl-LDHs 的增加量小得多，尤其是在 0.20-0.50 Co-Mg 异质结处。CoAl-LDHs 的加入增强了整体的活性位点的暴露，从而有利于光催化效率的提高
图 4-12 异质结光催化降解苯酚机理图4.6 本章小结为了增强 MgAl-LDHs 对光的相应，增加 CoAl-LDHs，通过一步水CoAl-LDHs/MgAl-LDHs 异质结。当 CoAl-LDHs 与 MgAl-LDHs 的摩尔比制备的异质结样品表现出最高的光催化活性。这归因于一下几方面：一，C的加入增强了样品的光响应范围，MgAl-LDHs 比表面积较大对苯酚的吸附两者优势互补；二，层状结构之间的异质结，有利于增加接触位点，便于迁移；三，两种化合物能带结构相互匹配，具有缺陷态的 MgAl-LDHs 能够CoAl-LDHs 产生的光生电子，提高光生电子-空穴对的分离效率，增强光催
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 李发堂;刘英;李振杰;刘瑞红;殷蓉;;Nd掺杂LaFeO_3纳米粉体的合成及其可见光催化活性(英文)[J];纳米技术与精密工程;2010年03期
2 沈师孔,李春义,余长春;Ni/Al_2O_3催化剂上甲烷部分氧化制合成气反应机理[J];催化学报;1998年04期
本文编号：2819828
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