以介孔前驱体合成二氧化钛及其光催化水解制氢的研究

发布时间：2017-10-05 14:35

  本文关键词：以介孔前驱体合成二氧化钛及其光催化水解制氢的研究

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【摘要】：氢气是一种超清洁能源,其燃烧热值高、无污染,预期在未来的能源消耗结构中将占据主导地位。TiO_2是一种在紫外光下具有较好光催化产氢活性的半导体催化材料,通过元素掺杂和材料复合等手段对Ti02进行改性,其光催化活性可扩展到可见光范围。在本文中,我们采用水热法合成了纳米颗粒型二氧化钛TiO_2-NP,引入La、Co、Zr、Ni、Fe、N或S杂原子对其进行了改性；采用表面活性剂自主装法合成了介孔二氧化钛前驱体,经焙烧后获得了具有良好光化学活性的m-TiO_2,并优化了其合成条件和反应条件；在此基础上,引入La和N合成了对可见光有响应的La-m-TiO_2和N-m-TiO_2样品。此外,我们还尝试采用水热法制备了石墨烯／--氧化钛复合型材料rGO/m-TiO_2,并对其光催化制氢性能进行了评价,研究结果表明：(1)采用水热法合成了纳米二氧化钛TiO_2-NP及掺杂型纳米二氧化钛M-TiO_2-NP和X-TiO_2-NP系列样品。当La掺杂量(n_(La)/n_(TiO_2))为0.01时,La-TiO_2-NP样品在紫外光下的产氢活性可达3.85 L.g~(-1)h~(-1),较TiO_2-NP提高了20.3%；在可见光下的产氢活性为182mL·g~(-1)h~(-1)当S掺杂量(n_s/n_(TiO_2))为0.05时,S-TiO_2-NP样品在紫外光下的产氢活性可达3.90 L·g~(-1)h~(-1);可见光条件下的产氢活性达168 mL·g~(-1)h~(-1)。(2)合成了介孔二氧化钛前驱体,经450℃焙烧后获得了具有光催化活性结构的m-TiO_2样品。当m-TiO_2样品用量为0.4g/L,甲醇浓度为20%,Pt负载量为0.5-0.7wt%时,其在紫外光下的产氢活性最高,达3.80 L.g~(-1)h-,寿命长达20 h,是P25的1.54倍,总产氢量提高了4.7%。以介孔二氧化钛前驱体合成的La-m-TiO_2和N-m-TiO_2系列样品,紫外光下,当掺杂量(n_(La)/n_(TiO_2))为0.01的La-m-TiO_2的产氢活性达4.45 L·g-lh~(-1),掺杂量(nN/n_(TiO_2))为4的N-m-TiO_2样品达4.50 L.g~(-1)h~(-1),较未掺杂样品分别提高了17%和18%。在可见光下,La-m-TiO_2(n_(La)/n_(TiO_2)=0.01)和N-m-TiO_2(nN/n_(TiO_2)=4)的产氢活性分别达137 mL.g~(-1)h~(-1)和164mL·g~(-1)h~(-1)。(3)采用水热法合成的rGO/m-TiO_2样品,当石墨烯量(n_(TGO)/n_(TiO_2))为0.01时,样品在紫外光下的产氢活性为5.40L·g~(-1)h~(-1),较未复合样品提高了42%；在可见光条件下,其产氢活性最高达196mL·g~(-1)h~(-1)。
【关键词】：光催化 二氧化钛 介孔前驱体 锐钛矿 产氢活性
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-12
• 1 文献综述12-31
• 1.1 光催化材料的产氢过程和机理12-14
• 1.1.1 半导体光催化材料的产氢过程12
• 1.1.2 半导体光催化材料的产氢机理12-14
• 1.2 不同形貌的TiO_2型半导体光催化材料的制备及性能14-20
• 1.2.1 TiO_2型半导体纳米颗粒15-16
• 1.2.2 TiO_2型半导体薄膜16
• 1.2.3 TiO_2型半导体微球体16-19
• 1.2.4 TiO_2型半导体纳米纤维和纳米管19
• 1.2.5 TiO_2型半导体纳米片19-20
• 1.3 TiO_2型半导体光催化剂的改性20-27
• 1.3.1 贵金属负载20-21
• 1.3.2 半导体复合21-22
• 1.3.3 离子掺杂22-26
• 1.3.4 染料敏化26-27
• 1.4 硫化物及固溶体类化合物27-29
• 1.4.1 硫化物半导体27-28
• 1.4.2 固溶体类化合物28-29
• 1.5 新型光催化材料29-30
• 1.5.1 层状结构化合物29
• 1.5.2 钙钛矿型结构化合物29-30
• 1.5.3 铌基化合物30
• 1.6 论文研究目的和内容30-31
• 2 实验部分31-36
• 2.1 实验试剂和仪器31-32
• 2.2 二氧化钛光催化材料的合成方法32-34
• 2.2.1 纳米二氧化钛的合成32
• 2.2.2 掺杂型纳米二氧化钛的合成32-33
• 2.2.3 介孔二氧化钛的合成33
• 2.2.4 掺杂型介孔二氧化钛的合成33-34
• 2.2.5 石墨烯复合介孔二氧化钛的合成34
• 2.3 合成材料的表征34-35
• 2.3.1 X-射线衍射(XRD)34
• 2.3.2 氮气物理吸附(N_2-adsorption)34
• 2.3.3 傅立叶红外吸收(FT-IR)34-35
• 2.3.4 紫外-可见漫反射吸收光谱分析(UV-vis)35
• 2.3.5 透射电子显微镜分析(TEM)35
• 2.4 光催化产氢反应35-36
• 2.4.1 紫外光条件35
• 2.4.2 可见光条件35-36
• 3 水热法合成掺杂型纳米二氧化钛及其光催化产氢活性36-46
• 3.1 水热法合成纳米二氧化钛36-37
• 3.2 水热法合成金属掺杂型纳米二氧化钛及其光催化产氢活性37-41
• 3.2.1 水热法合成M-TiO_2-NP样品及其光催化产氢活性37-40
• 3.2.2 水热法合成La-TiO_2-NP样品及其光催化产氢活性40-41
• 3.3 水热法合成非金属掺杂型纳米二氧化钛及其光催化产氢活性41-44
• 3.3.1 水热法合成X-TiO_2-NP样品及其光催化产氢活性41-43
• 3.3.2 水热法合成S-TiO_2-NP样品及其光催化产氢活性43-44
• 3.4 本章小结44-46
• 4 以介孔前驱体合成二氧化钛及其光催化产氢活性46-63
• 4.1 m-TiO_2的合成及其光催化产氢活性46-49
• 4.2 合成条件对m-TiO_2样品光催化产氢活性的影响49-55
• 4.2.1 合成温度的影响49
• 4.2.2 模板剂用量(n_(CATB)/n_(TiO_2))的影响49-51
• 4.2.3 水量的(n_(H2O)/n_(TiO_2))的影响51-52
• 4.2.4 焙烧温度的影响52-55
• 4.3 反应条件对m-TiO_2样品光催化产氢活性的影响55-57
• 4.3.1 Pt负载量的影响55
• 4.3.2 催化剂用量的影响55-56
• 4.3.3 甲醇浓度的影响56-57
• 4.4 以介孔前驱体合成掺杂型m-TiO_2及其光催化产氢活性57-61
• 4.4.1 以介孔前驱体合成La-m-TiO_2样品及其光催化产氢活性57-59
• 4.4.2 以介孔前驱体合成N-m-TiO_2样品及其光催化产氢活性59-61
• 4.5 本章小结61-63
• 5 水热法合成石墨烯复合型二氧化钛及光催化制氢性能研究63-67
• 5.1 水热法合成石墨烯复合型rGO-m-TiO_2样品63-65
• 5.2 石墨烯复合型rGO-m-TiO_2样品的光催化产氢活性65-66
• 5.3 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-74
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况74-75
• 致谢75-76

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