二氧化钛基光催化剂的时间分辨光谱与动力学研究

发布时间：2022-10-04 21:14

　　半导体光催化技术能够将太阳能转化为化学能储存在太阳燃料中,被视为化解当今能源与环境危机的有效途径,近年来备受关注。光催化反应中光生载流子的产生与分离过程是承接光吸收与表面催化反应的关键步骤,该过程往往发生在飞秒至纳秒的时间尺度。因此须利用具有时间分辨技术手段才能揭示其中的奥秘。文本以典型的二氧化钛基光催化材料为主要研究对象,以时间分辨超快光谱技术为研究工具,探讨了半导体催化剂中的缺陷对光生载流子的影响。主要完成了以下工作:（一）利用纳秒时间分辨的激发能量扫描-瞬态红外吸收光谱技术与飞秒时间分辨中红外瞬态吸收光谱技术研究了一种非金属硼掺杂的锐钛矿二氧化钛微米球粉末样品。该样品的光催化特性表现为,表面不含硼的样品的光解水性能为产氢效果良好但产氧效果不佳;但当其表面有硼掺杂时,光解水性能却变为产氧效果良好但产氢不佳。为了揭示表面硼掺杂前后二氧化钛微米球催化性能改变的原因,我们从缺陷态能级分布的变化及其对光生载流子的动力学的影响的角度展开研究。纳秒时间分辨光谱的研究发现,表面的硼掺杂可以有效地消除原先位于价带上方的缺陷态。因此,在价带中产生的光生空穴可以自由地迁移到催化剂表面,进而在光解水反应... 

【文章页数】：121 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 光催化技术简介
    1.3 半导体光催化机理
    1.4 二氧化钛的电子结构
    1.5 半导体缺陷对光催化的影响
    1.6 时间分辨光谱在光催化材料表征中的应用
    1.7 论文架构
第2章 实验部分
    2.1 引言
    2.2 时间分辨中红外吸收光谱系统
        2.2.1 纳秒时间分辨中红外吸收光谱系统
        2.2.2 飞秒时间分辨中红外吸收光谱系统
    2.3 其他光催化剂常用表征手段
        2.3.1 紫外-可见-近红外吸收光谱
        2.3.2 红外吸收光谱
        2.3.3 傅里叶变换红外光谱
        2.3.4 电子顺磁共振
        2.3.5 拉曼光谱
        2.3.6 透射电子显微镜
        2.3.7 X射线光电子能谱
        2.3.8 X射线吸收谱
    2.4 光催化分解水性能测试
    2.5 样品制备
        2.5.1 硼改性的锐钛矿二氧化钛微米球的制备
        2.5.2 还原态金红石相TiO2(110)单晶的制备
第3章 利用时间分辨红外光谱研究缺陷态对硼掺杂锐钛矿相二氧化钛微米球光催化性能的影响
    3.1 研究背景
    3.2 结果与讨论
        3.2.1 光催化分解水测试
        3.2.2 紫外-可见吸收光谱测试
        3.2.3 利用TRIRA-EESS研究光解水产氧性能
        3.2.4 利用飞秒时间分辨中红外光谱研究光解水产氢性能
        3.2.5 表面Pt粒子对光生电子的影响
    3.3 本章小结
第4章 还原态金红石单晶中过量电子跃迁动力学研究
    4.1 引言
    4.2 结果与讨论
        4.2.1 稳态紫外可见吸收光谱
        4.2.2 360nm激发的瞬态吸收中红外光谱
        4.2.3 拉曼光谱分析
        4.2.4 X射线吸收光谱分析
        4.2.5 X射线光电子能谱分析
        4.2.6 飞秒时间分辨动力学分析
        4.2.7 飞秒时间分辨激发能量扫描-瞬态中红外吸收光谱
    4.3 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 论文总结
        5.1.1 对于非金属硼掺杂的锐钛矿相二氧化钛微米球的研究
        5.1.2 对于还原态金红石二氧化钛(110)面单晶的研究
    5.2 论文展望
        5.2.1 关于非金属掺杂二氧化钛的展望
        5.2.2 关于还原态金红石单晶的展望
        5.2.3 关于时间分辨光谱探测光生载流子的展望
        5.2.4 关于光催化反应过程的展望
        5.2.5 人工光合愿景
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]外腔式KTP光学参量振荡器的实验研究[J]. 谢彪,张凤娟,苏蓓蓓,钱颖,邓芳,王加贤.  激光杂志. 2011(05)



本文编号：3685773