光催化分解水产氢催化剂能带调变与表面修饰研究

发布时间：2017-05-16 14:07

  本文关键词：光催化分解水产氢催化剂能带调变与表面修饰研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光催化分解水产氢是国内外环境与能源领域的一个热点。目前,已开发出多种能利用紫外光催化分解水的催化剂,也获得了较高的表观量子产率,但能利用可见光高效分解水的光催化剂的数量还十分有限。本研究旨在通过非金属掺杂和固溶体调变半导体光催化剂的能带结构,扩展其对可见光的吸收范围,并辅以Au表面等离子体(SPR)修饰以提升其光催化分解水产氢的效率。 本文采用水热法制备了N-TiO2并采用光还原沉积法在其表面负载了Au和Pt纳米颗粒,采用固相反应法制备了一系列(AgNbO3)1-x(SrTiO3)x固溶体。利用XRD、SEM-EDX、TEM、HRTEM、XPS、UV-vis-DRS以及电化学等分析手段对材料的形貌、结构及光响应等进行了表征,测试了其光催化分解水产氢的活性,并辅以Materials Studio DFT模拟计算,揭示了掺杂、固溶体及Au SPR修饰的提高催化剂可见光响应及光催化产氢效率的机理。 在氮掺杂调节TiO2能带的研究中,通过在价带(VB)上方引入N2p杂质能级将TiO2对可见光响应范围扩展到430nm左右,同时不影响其导带(CB)的位置,从而使TiO2具备可见光照下分解水产氢的能力,产氢速率可达2.1μmol/h。 在N-TiO2表面负载Au不但能作为助催化剂提供产氢反应的活性位点,还能引入SPR效应,进一步提升催化剂对可见光的吸收。负载Au后分解水产氢的速率达6.6μmol/h,是Pt作为助催化剂时的3.1倍。UV-vis-DRS表征证明Au在550nm左右有强烈的共振吸收,SPR通过增强催化剂表面的电磁场强度,提高了表面电子-空穴的产生率,光电子通过肖特基势垒转移到Au上与空穴分离,从而提高了可见光下分解水产氢的效率。 SrTiO3和AgNbO3催化剂形成不同配比的(AgNbO3)1-x(SrTiO3)x固溶体后,禁带宽度在3.19eV到2.71eV之间连续可调。该固溶体的光催化活性由禁带宽度和导带电势共同决定,筛选得到最佳配比为x=0.75。(AgNbO3)0.25(SrTiO3)0.75固溶体同时具备了较好的可见光吸收和还原水产氢能力,具有最高的可见光催化分解水产氢活性。结合UV-vis-DRS.电化学表征和化学模拟计算,提出了(AgNbO3)1-x(SrTiO3)x固溶体调变能带结构及可见光催化分解水产氢的机理。论文得出的结论对新型高效可见光产氢催化剂的开发有很好的理论意义和应用价值。
【关键词】：光催化 产氢 固溶体 氮掺杂 表面修饰
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ116.2;O643.36
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-8
• 目次8-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 引言11
• 1.2 光催化分解水现状11-13
• 1.3 催化剂能带结构调配技术13-17
• 1.3.1 离子掺杂改性13-14
• 1.3.2 固溶体能带调变14-16
• 1.3.3 Z-scheme体系能带匹配16-17
• 1.4 表面修饰技术17-19
• 1.4.1 助催化剂17-18
• 1.4.2 表面等离子共振18-19
• 1.5 选题依据、研究目的及内容19-22
• 1.5.1 选题背景及依据19-20
• 1.5.2 研究目的和意义20
• 1.5.3 研究内容20-22
• 2 实验材料、仪器及分析方法介绍22-30
• 2.1 实验材料和仪器22-23
• 2.1.1 实验材料22
• 2.1.2 实验仪器22-23
• 2.2 实验分析方法23
• 2.2.1 气相色谱分析条件及GC标准曲线绘制23
• 2.2.2 氢气标准曲线的绘制23
• 2.3 催化剂活性评价23-24
• 2.4 催化剂表征分析仪器及原理24-30
• 2.4.1 X-射线衍射(XRD)分析24
• 2.4.2 紫外可见(UV-vis-DRS)漫反射光谱分析24-25
• 2.4.3 扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDX)分析25-26
• 2.4.4 透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)分析26
• 2.4.5 X射线光电子能谱(XPS)分析26-27
• 2.4.6 电化学表征27-28
• 2.4.6.1 电化学工作电极制备27
• 2.4.6.2 塔菲尔曲线(Tafel)27-28
• 2.4.6.3 Mott-Schottky曲线28
• 2.4.6.4 时间-电流(i-t)曲线28
• 2.4.7 DFT化学模拟计算28-30
• 3 N-TiO_2可见光分解水产氢研究30-36
• 3.1 催化剂制备方法30
• 3.2 结果与讨论30-35
• 3.2.1 XRD表征30-31
• 3.2.2 UV-vis-DRS表征31-32
• 3.2.3 XPS表征32-33
• 3.2.4 光催化效果测试33-34
• 3.2.5 氮掺杂机理34-35
• 3.3 本章小结35-36
• 4 Au/N-TiO_2光催化分解水产氢研究36-46
• 4.1 实验过程36
• 4.2 结果与讨论36-45
• 4.2.1 XRD表征36-37
• 4.2.2 XPS表征37-38
• 4.2.3 TEM/HRTEM表征38-39
• 4.2.4 UV-vis-DRS表征39-40
• 4.2.5 Tafel曲线40-41
• 4.2.6 i-t曲线41
• 4.2.7 光催化产氢效果41-42
• 4.2.8 Au SPR提高光催化分解水产氢效率的机理42-45
• 4.2.8.1 基于电子转移的机理43-44
• 4.2.8.2 基于电场增强的机理44-45
• 4.3 本章小结45-46
• 5 (AgNbO_3)_(1-x)(SrTiO_3)_x固溶体能带调变及产氢效果研究46-57
• 5.1 实验过程46
• 5.2 结果与讨论46-56
• 5.2.1 XRD表征46-48
• 5.2.2 UV-vis-DRS表征48-50
• 5.2.3 SEM表征50-51
• 5.2.4 Mott-Schottky曲线51-52
• 5.2.5 光催化活性测试52
• 5.2.6 化学模拟计算52-55
• 5.2.7 固溶体能带调变及光催化分解水产氢机理55-56
• 5.3 本章小结56-57
• 6 结论、创新点及建议57-59
• 6.1 结论57
• 6.2 创新点57
• 6.3 建议57-59
• 参考文献59-69
• 作者简历及攻读硕士学位期间发表的学术论文和专利69

【共引文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 唐静;金属修饰二氧化钛光催化还原硝酸盐性能研究[D];浙江大学;2012年

2 赵东星;Ag修饰的Tm~(3+)掺杂12CaO·7Al_2O_3纳米粒子的制备及光学性质[D];东北师范大学;2012年

  本文关键词：光催化分解水产氢催化剂能带调变与表面修饰研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：371026