一维二氧化钛基复合纳米光催化材料的产氢性能研究

发布时间：2018-05-24 23:25

本文选题：钛基半导体 + 静电纺丝　；参考：《武汉理工大学》2015年硕士论文

【摘要】：化石燃料资源具有不可再生性,且在其过度使用过程中易产生污染物,引起日益严峻的能源危机和环境恶化,这已经成为当今社会面临并亟待解决的两大全球性难题。而太阳能资源总量巨大,对环境不产生任何污染包括温室效应等,是理想的可再生清洁能源,如何将太阳能转化成可用的能源?半导体光催化技术被世界公认为是一种能解决环境污染和有效利用太阳能的理想途径。它能在常温下,直接利用太阳能,激发半导体光催化材料的光催化反应。然而,以传统的二氧化钛半导体光催化材料为基础的光催化技术还存在着光响应范围较窄,太阳能利用率偏低,光生电子-空穴易复合和量子效率偏低等关键科学技术上的难题,严重阻碍了其在工业上的广泛应用。因此,为促进光催化技术的实际应用,针对上述难题,采用静电纺丝法得到具有独特形貌的二氧化钛基光催化材料,并通过对二氧化钛进行复合改性来降低光生电子-空穴的复合机率,提高二氧化钛的光催化性能,另外,还研究了其光催化机理,取得了以下研究结果:第一,以钛酸四丁酯、聚乙烯吡咯烷酮、六水硝酸镍为原料,无水乙醇、冰醋酸为溶剂制成前驱体溶液,采用静电纺丝并结合煅烧法成功合成出一维(1D)NiO-TiO2复合纳米纤维。利用X射线衍射(XRD)研究材料的相结构,场发射扫描电子显微镜(FESEM),及其附件能量色散X射线光谱(EDX)仪和透射电子显微镜(TEM)观察材料的微观形貌,X射线光电子能谱(XPS)表征光催化剂的表面元素价态,氮气吸附脱附测量其比表面积和孔结构,紫外-可见漫反射光谱(UV-vis)对所得样品进行光电性能表征。新制一维NiO-TiO2复合纳米纤维的光催化活性是通过在氙灯(模拟太阳光)照射下和以甲醇作牺牲剂的条件下来评估其产氢活性。结果显示,与纯二氧化钛纳米纤维相比,在相同的反应条件下,加入少量NiO的TiO2复合纳米纤维的光催化活性明显增强,不同NiO的加入量也对其光催化活性有显著影响,其中NiO的最佳含量为0.25 wt%,产氢速率为377μmol h-1g-1,表观量子效率(QE)为1.7%。与纯TiO2相比,其光催化产氢速率提高了7倍以上。这是因为在没有贵金属(Pt)作助催化剂的情况下,NiO也可以作为有效的助催化剂,来减少光生电子-空穴对的复合几率,降低产氢过电势。本工作展示了采用简单的静电纺丝法来制备高性能NiO-TiO2一维复合纳米纤维结构光催化材料的过程,探索了利用廉价的过渡金属氧化物替换昂贵的贵金属在光催化还原产氢中作助催化剂的可能性。另外,静电纺丝得到的一维纳米纤维独特结构,相比TiO2纳米颗粒,更有利于在实际应用中的分离回收和循环使用。第二,石墨烯,是由单层碳原子堆积成具有类蜂窝状结构的二维(2D)纳米材料,具有比表面积大、电荷迁移速率快、良好的热传导能力和机械强度高等优点。因此,石墨烯基复合纳米材料的制备与应用引起了人们极大地关注。以钛酸四丁酯、聚乙烯吡咯烷酮、氧化石墨为原料,无水乙醇、冰醋酸为溶剂制成前驱体溶液,采用静电纺丝并结合煅烧法成功合成出还原氧化石墨烯-氧化钛(RGO-TiO2)一维复合纳米纤维材料。然后利用包括XRD,FESEM、TEM、BET、UV-vis和热重分析(TGA)等手段对所得样品进行表征。在没有贵金属(Pt)作为助催化剂的情况下,研究了RGO的加入量对氧化钛光催化产氢活性的影响。结果表明,在经过RGO的改性后,二氧化钛光催化产氢的性能得到了极大的提高。其中RGO的最佳含量为0.25 wt%,最优产氢速率为149μmol h-1g-1,表观量子效率为0.75%。在相同的反应条件下,与纯二氧化钛纳米纤维相比,其光催化产氢速率提高了10倍以上。这是由于RGO的引入,可以有效的增大样品比表面积,并作为电子接收体起到加速电子传输的作用,可以有效地分离光生电子-空穴对,增强光催化活性。提出了光催化反应机理,并通过瞬时光电流响应来进一步确认。
[Abstract]:In order to improve the photocatalytic activity of TiO _ 2 , the photocatalytic activity of TiO _ 2 composite nanofibers with a small amount of NiO was studied by means of electrostatic spinning . The process of preparing high - performance NiO - TiO2 one - dimensional composite nano - fiber structure photocatalysis material by using simple electrostatic spinning method is shown in this work . The results show that the preparation and application of nano - fiber with high specific surface area is 0.25 wt % , the optimal hydrogen production rate is 149.mu mol h - 1g - 1 and the apparent quantum efficiency is 0.75 % .
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TQ116.2

【参考文献】