新型光催化剂Bi 4 TaO 8 Cl的活化及其光热催化还原CO 2 性能研究
发布时间：2022-01-21 16:07
光热协同催化作为催化领域的新途径,可以改善单一光催化、热催化的不足,实现太阳能的高效利用。而设计一种高效稳定的光热催化剂以及探寻光与热协同的催化机理是该领域的研究前沿。铋基氧卤化合物Bi4MO8X（M=Nb,Ta;X=Cl,Br）作为一种新兴的光催化材料,具有光吸收范围宽、光生载流子分离效率高、稳定性好等优点。但是,如何活化Bi4MO8X,使其成为一种高效的太阳光-热转换的光热催化剂有待研究。本文利用Z型结构筑及引入氧空位两个途径活化Bi4TaO8Cl,分别研究了 Bi4TaO8Cl/W18O49 Z型异质结及氧空位型Bi4TaO8Cl催化剂的光热催化还原CO2性能,为设计高效光热还原CO2催化剂提供了一种有前景的技术手段。具体研究内容如下:（1）Bi4TaO8Cl/W18O49 Z型异质结光热催化CO2还原研究。在Bi4TaO8Cl纳米片表面负载非化学计量的W18O49纳米结构,制备了直接Z结Bi4TaO8Cl/W18O49光催化剂,研究了 Z型异质结光热催化还原CO2活性。与Bi4TaO8Cl相比,新型Z结光催化剂还原CO2为CO产率提高了 1.92倍,而光热催化还原CO2为CO产...
【文章来源】：东北师范大学吉林省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化还原CO2反应机理图
3CO2+4H++4e-→HCHO+H2O-0.48VCO2+6H++6e-→CH3OH+H2O-0.38VCO2+8H++8e-→CH4+H2O-0.24VCO2还原产物主要有CO、HCOOH、CH3OH、CH4等，从热力学角度看，CO2还原更容易生成甲烷和甲醇（还原电位较低）。然而，从动力学上分析，甲烷和甲醇的形成比一氧化碳、甲醛和甲酸的形成更加困难，因为前者的反应需要更多的电子[22]。由于光催化剂表面的复杂性，光催化剂与被吸附物质之间的相互作用可能会经历一系列单电子过程，而不是多电子、多质子的过程。考虑到这一点，能够同时释放多个电子和质子对提高反应速率很重要。1.2.2光还原CO2催化剂及其改性研究1.2.2.1常见的光还原CO2催化剂1979年Inoue等人证明：在光照下，TiO2、ZnO、GaP等多种半导体材料能够催化CO2还原，并对不同材料上甲醛、甲酸、甲醇、甲烷等一种或多种转化产物进行了检测[23]，带动了光催化CO2还原的研究。与光催化水分解等领域相比，用于CO2光还原的材料相对较少，许多被认为是很好的水分解的光催化剂由于动力学上的困难并不能用于光还原二氧化碳。目前文献报道的光还原CO2催化剂主要有以下几类，其中几种典型光催化剂的能带结构如图1.2所示：（1）金属氧化物：TiO2、ZnO、Ga2O3、ZrO2、Ta2O5等（2）混合金属氧化物：SrTiO3、CaFe2O4、NaNbO3、ZnGa2O4、Zn2GeO4等（3）硫化物：ZnIn2S4、ZnxCd1-xS等（4）氮化物：C3N4、GaN等（5）卤化物：BiOCl、BiOBr等（5）其它：层状双金属氢氧化物LDH、MOF等图1.2几种半导体光催化剂的能带结构图
逑档难趸?乖?缥挥ξ挥诠獯呋?恋牡即?子爰鄞?ブ?洹Ｒ虼耍?谌攘ρ?细?旱?导带底和更正的价带顶电位更有利于反应物的还原和氧化反应，然而这将扩大光催化剂的带隙，不能充分利用太阳能。显然，这两个条件是互相矛盾的。因此，单一光催化剂很难同时具有较宽的光谱吸收范围和较强的氧化还原能力[50,51]。并且在单一光催化剂中，导带中的光生电子很容易与价带中的光生空穴复合，会严重降低光生载流子的利用率，因此通过设计合适的多相光催化体系来克服以上问题。异质结光催化系统主要有II型异质结和Z-scheme两种类型，如图1.3所示，对于II型异质结来说[52–56]，入射光照射到异质结表面，光生电子从价带跃迁到导带，光催化剂I(PCI)导带上的电子继续迁移到光催化剂II(PCII)的导带，而在PCII价带上的空穴迁移到PCI的价带上。因此，II型异质结光生电子和空穴被空间隔离，这大大抑制了光生载流子的复合。然而，电荷转移后光生电子和空穴的氧化还原能力被削弱。因此,有必要探索一种同时具有高电荷分离效率和强氧化还原能力的新型光催化体系。
本文编号：3600575
【文章来源】：东北师范大学吉林省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化还原CO2反应机理图
3CO2+4H++4e-→HCHO+H2O-0.48VCO2+6H++6e-→CH3OH+H2O-0.38VCO2+8H++8e-→CH4+H2O-0.24VCO2还原产物主要有CO、HCOOH、CH3OH、CH4等，从热力学角度看，CO2还原更容易生成甲烷和甲醇（还原电位较低）。然而，从动力学上分析，甲烷和甲醇的形成比一氧化碳、甲醛和甲酸的形成更加困难，因为前者的反应需要更多的电子[22]。由于光催化剂表面的复杂性，光催化剂与被吸附物质之间的相互作用可能会经历一系列单电子过程，而不是多电子、多质子的过程。考虑到这一点，能够同时释放多个电子和质子对提高反应速率很重要。1.2.2光还原CO2催化剂及其改性研究1.2.2.1常见的光还原CO2催化剂1979年Inoue等人证明：在光照下，TiO2、ZnO、GaP等多种半导体材料能够催化CO2还原，并对不同材料上甲醛、甲酸、甲醇、甲烷等一种或多种转化产物进行了检测[23]，带动了光催化CO2还原的研究。与光催化水分解等领域相比，用于CO2光还原的材料相对较少，许多被认为是很好的水分解的光催化剂由于动力学上的困难并不能用于光还原二氧化碳。目前文献报道的光还原CO2催化剂主要有以下几类，其中几种典型光催化剂的能带结构如图1.2所示：（1）金属氧化物：TiO2、ZnO、Ga2O3、ZrO2、Ta2O5等（2）混合金属氧化物：SrTiO3、CaFe2O4、NaNbO3、ZnGa2O4、Zn2GeO4等（3）硫化物：ZnIn2S4、ZnxCd1-xS等（4）氮化物：C3N4、GaN等（5）卤化物：BiOCl、BiOBr等（5）其它：层状双金属氢氧化物LDH、MOF等图1.2几种半导体光催化剂的能带结构图
逑档难趸?乖?缥挥ξ挥诠獯呋?恋牡即?子爰鄞?ブ?洹Ｒ虼耍?谌攘ρ?细?旱?导带底和更正的价带顶电位更有利于反应物的还原和氧化反应，然而这将扩大光催化剂的带隙，不能充分利用太阳能。显然，这两个条件是互相矛盾的。因此，单一光催化剂很难同时具有较宽的光谱吸收范围和较强的氧化还原能力[50,51]。并且在单一光催化剂中，导带中的光生电子很容易与价带中的光生空穴复合，会严重降低光生载流子的利用率，因此通过设计合适的多相光催化体系来克服以上问题。异质结光催化系统主要有II型异质结和Z-scheme两种类型，如图1.3所示，对于II型异质结来说[52–56]，入射光照射到异质结表面，光生电子从价带跃迁到导带，光催化剂I(PCI)导带上的电子继续迁移到光催化剂II(PCII)的导带，而在PCII价带上的空穴迁移到PCI的价带上。因此，II型异质结光生电子和空穴被空间隔离，这大大抑制了光生载流子的复合。然而，电荷转移后光生电子和空穴的氧化还原能力被削弱。因此,有必要探索一种同时具有高电荷分离效率和强氧化还原能力的新型光催化体系。
本文编号：3600575
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