过渡金属化合物催化剂合成、表征及光催化产氢性能研究

发布时间：2020-07-24 12:34

【摘要】：人类文明的进化史就是能源发展史,从木炭能源造成的土地荒漠化到化石能源造成的空气污染,以及人类对能源越来越严重的需求,迫使我们寻找安全洁净可再生的新型能源。众所周知,太阳能对于人类来说近乎于取之不尽用之不竭的清洁能源,如何更加高效的利用太阳能成为了当下研究的热点,在诸多领域比如催化污染物降解、催化水分解等方面已经展现了极其广阔的应用前景。使用高效的催化剂可以让我们更加有效的利用太阳能,然而当前常用光催化剂大多使用贵金属,价格高昂,难以大规模的推广,研究廉价高效的光催化剂成为时下研究的热点。过渡金属基光催化剂由于其独特的电子轨道结构,种类繁多以及价格的相对便宜,储量高,经过合理的结构设计和优化,可以能达到Pt、Pd等贵金属光催化剂的的优异性能,吸引了催化材料研究者的目光。本文通过对过渡金属M(W、Co、)化合物的结构设计和调控,同时与制备CdS量子点进行复合形成复合光催化剂,硫化镉量子点被广泛用作光催化剂使用于光催化分解水产氢,由于它独特的电子和光学性质,适当的能带宽度让它在可见光下有很好的响应,因此我们应用了硫化镉量子点作为助催化剂来提高催化剂的产氢效率。使复合光催化剂的性能得到极大的提高,且能达到或超越Pt等贵金属的水平。本文的主要研究内容如下:以钨酸盐、硫酸铵等常见原料,通过简单的高压水热法制备即可得WO3纳米线形材料,随后利用水热法通过葡萄糖进行碳包覆,然后煅烧制备出WC一维线形光催化剂,利用制备的WC作为载体负载硫化镉量子点来研究产氢性能。为了产氢活性的提高,我们研究了最优制备方法和最佳使用量。在可见光下最优产氢结果可以达到1440.2μmol·h-1,远远超过常见贵催化剂。以六水合硝酸钴、二甲基咪唑为原料原料,通过一步水热法制备出花形氢氧化钴纳米催化材料,利用制备的Co(OH)2作为载体负载硫化镉量子点,成为新型高效催化剂来研究产氢性能,得到了氢氧化钴催化剂的最佳使用量。在可见光下最优产氢结果可以达到698.5μmol·h-1,是性能较为优异的催化剂。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ426;TQ116.2
【图文】：

示意图,粒子尺寸,催化反应,示意图

１．３．４形貌和尺寸大小逡逑粒子的形貌和大小是影响半导体光催化活性的一个关键因素，在诸多领域，逡逑研究人员都追求更小粒径的粒子，粒径对催化活性直观的影响如图１．５所示逡逑一般来说，颗粒越小的催化剂，暴露在表面的原子数越多，增加了表面原子的表逡逑面能和悬空键，这样就增加了它的活性。而且，粒子越小，缩短了光生电子和空逡逑穴移动到半导体催化剂表面的时间（如图１．５所示），光生电荷的迁移可以让光逡逑生电子和空穴在参与催化反应之前的复合几率减小，利用的光生电荷有效性增逡逑７逡逑

离子掺杂,能带结构,导体,催化剂

杂离子取代半导体原晶格中的离子［７７１，这其中又分为了阳离子掺杂，阴离子掺杂逡逑以及形成共溶体等三个方式。掺杂的离子可进入禁带较宽的催化剂材料的晶格逡逑中，影响原有半导体禁带能级来形成新的杂质能级（如图１．５）［７８］，通过调控半导逡逑体催化剂的禁带宽带，进而对材料的光吸收产生有利的作用，这样半导体催化剂逡逑可以吸收更多的太阳光子的能量，产生更多的光生电荷。而且，半导体催化剂吸逡逑收足够的能量产生电子跃迁，其价带的光生电子可以通过禁带中的杂质能级作为逡逑跳板，分两步跃迁到导带上，使得电子跃迁变得更加容易，增加了对太阳光子能逡逑量的使用效率。还有一点，离子掺杂可能会在催化剂晶体晶格上形成缺陷态，而逡逑这种晶格缺陷态对阻止光生电荷的逆反应复合可能产生积极影响。逡逑我们又该如何选择掺杂原子呢，一般选择与被取代的原子大小和性质相类似逡逑的原子，只有当掺杂原子的大小与被取代的原子差不多大时，掺杂原子才能顺利逡逑进入半导体催化剂的晶体晶格中

局部放大图,扫描电镜图,局部放大图,前驱体

３．３．１邋Ｗ０３前驱体的形貌表征逡逑我们采用高压水热法来制备Ｗ0３前驱体，实验结果很明显的表明溶剂不同的逡逑ｐＨ值对产物的产生比较严重的影响。实验结果如图３．１所示：逡逑ｈ…逦－逡逑图３．１邋Ｗ０３扫描电镜图，（Ａ）邋ｐＨ＝５．邋（Ｂ）邋ｐＨ＝２．（Ｂ）图插入部分是局部放大图逡逑Ｆｉｇ．３．１邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋Ｗ０３邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ＰＨ邋ｏｆ邋（Ａ）ｐＨ＝５．邋（Ｂ）邋ｐＨ＝２．邋Ｂ邋ｐａｒｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｎｓｅｒｔ邋ｉｓ邋ａ逡逑ｐａｒｔｉａｌ邋ｅｎｌａｒｇｅｄ邋ｖｉｅｗ逡逑２１逡逑

【参考文献】