TiO 2 基复合材料的制备及其光电催化性能研究
发布时间：2021-11-27 12:45
光电化学（PEC）水分解技术有望解决化石燃料燃烧所引起的全球能源紧缺和气候变化问题。一维TiO2材料由于长径比高、电荷转移性能优异和比表面积大等优点,被广泛应用于光电催化领域。但其作为一种宽禁带半导体材料,对太阳能的利用率较低,这使得TiO2的光电转换效率较低。基于此,本文通过构建异质结和添加催化剂的方法对其进行改性和修饰,制备出性能优异的TiO2基复合材料,并将其应用于光电催化水分解领域。主要研究结果如下:（1）利用滴涂法结合水热法制备出新型TiO2@Co-C3N4纳米阵列。其中Co-C3N4纳米片通过一步热缩聚法合成,通过XPS,FTIR,EDS和UV-Vis DR等表征方法证明Co原子与g-C3N4成功配位。并通过改变Co-C3N4的滴涂量调控TiO2@Co-C3N4的PEC性能,当Co-C3N4的负载量达到0.75 μg/cm2时,光电催化性能达到最佳,此时Co含量为1.47×10-3μg/cm2。研究表明,当外加偏压为1.23 VRHE时,TiO2@Co-C3N4纳米阵列的光电流密度最高可达到1.79 mA/cm2,是TiO2@g-C3N4的2.3倍。且在该偏压下,持续光照1...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
二氧化钛光电催化机理示意图
西安科技大学硕士学位论文4（3）合适的禁带宽度半导体材料的带隙宽度决定了PEC水分解反应的理论光-氢转换效率。各种半导体材料的能带水平如图1.2所示，能带水平通常随着溶液pH值的改变而改变[13]。由于水分解的电势为1.23V，假设成功消除了氧和氢逸出的超电势，半导体的理想带隙应在1.23eV左右。此时半导体与水的氧化还原电位完全一致，该带隙可吸收1000nm的光波。结合半导体物理性质与实际情况，再通过Bandgap(eV)=1240/λ(nm)计算可知，合适的半导体禁带宽度在1.50~3.10eV之间。图1.2H2O分解的氧化还原电位与半导体能带结构的关系。Figure1.2Relationshipbetweenbandstructureofsemiconductorandredoxpotentialsofwatersplitting.常见的PEC半导体主要包括硫化物、金属氧化物、钽酸盐、铌酸盐和钛酸盐等[14-19]，但是适合光电催化水分解的高功能材料仍未被发现。现有的光电极材料普遍存在稳定性差、光电转换效率低和光谱响应范围较窄等问题。例如：CdS电极，虽然具有合适的能带位置和可见光响应的带隙，但不能进行水分解反应[20]。光生电子更容易氧化CdS中的S2+而不是电解液中的H2O，这种现象被称为催化剂的光腐蚀。同样[21]，虽然WO3在Ag+和Fe3+等电子受体存在下，是一种良好的光催化剂，但其导带能级较低不利于H2的析出。TiO2作为半导体光电极材料的始祖，因其具有良好的稳定性而倍受青睐，但其带隙较宽，导致它仅能吸收4%~5%的地表太阳光,这也是大多数半导体材料共有的缺陷。因此对TiO2材料进行改性使其满足上述电极要求对PEC水分解反应刻不容缓。
群屠嘈汀⒎从κ奔洹⒎从ξ?度和前驱体的种类等水热条件对二氧化钛的形貌和结构有较大影响。但水热法也存在一些缺点：（1）反应动力学慢，反应时间长；（2）纳米棒或纳米管的长度较短；（3）纳米棒或纳米管生长不均匀。为解决上述问题，人们探索了很多方法，如微波辅助水热法和超声辅助水热法。Tang及其课题组[43]用搅拌水热法制备了无添加剂的TiO2基纳米管电极材料，在1D-TiO2发展过程中取得了重大突破。通过优化搅拌速度，获得了高长径比的均匀纳米管，该方法可制备用于长寿命和速充电锂离子电池的1D-TiO2纳米管材料。图1.3通过水热法合成的：（a）纳米管，（b）纳米棒，（c）纳米线，（d）纳米带和（e和f）纳米片。Figure1.3(a)Nano-tubes,(b)-rods,(c)-wires,(d)-belts,and(e,f)-sheetssynthesizedbyhydrothermalmethods.1.4.2溶剂热法溶剂热法是制备1D-TiO2纳米结构的常用方法之一，类似于水热法[44-46]。这两种方法所选前驱体类似，但是水热法一般在水溶液中进行，而溶剂热法一般在正己烷、乙二醇、乙醇等有机溶剂中进行。Wang等人[47]通过控制助溶剂，利用低温溶剂热法合成了TiO2单晶纳米线和多晶纳米管。所制备的1D-TiO2纳米结构作为锂离子电池的负极材料
【参考文献】：
期刊论文
[1]Morphology and photocatalytic performance of nano-sized TiO2 prepared by simple hydrothermal method with different pH values[J]. Hao Xu,Shi-Qi Liu,Shan Zhou,Tang-Zhi-Jiu Yuan,Xiang Wang,Xia Tang,Jian Yin,Hui-Jin Tao. Rare Metals. 2018(09)
[2]Resistive Switching Memory of TiO2 Nanowire Networks Grown on Ti Foil by a Single Hydrothermal Method[J]. Ming Xiao,Kevin P.Musselman,Walter W.Duley,Norman Y.Zhou. Nano-Micro Letters. 2017(02)
[3]2040年世界能源展望——埃克森美孚2016版预测报告简介[J]. 应启臣,曹勇. 当代石油石化. 2016(02)
[4]太阳能光解水的光阳极材料[J]. 周文理,谢青季,廉世勋. 化学进展. 2013(12)
[5]Dissolution of copper phthalocyanine and fabrication of its nano-structure film[J]. SU JinLi, XUE MinZhao, MA Ning, SHENG QiaoRong, ZHANG Qing & LIU YanGang School of Chemistry and Chemical Technology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China. Science in China（Series B:Chemistry）. 2009(07)
本文编号：3522318
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
二氧化钛光电催化机理示意图
西安科技大学硕士学位论文4（3）合适的禁带宽度半导体材料的带隙宽度决定了PEC水分解反应的理论光-氢转换效率。各种半导体材料的能带水平如图1.2所示，能带水平通常随着溶液pH值的改变而改变[13]。由于水分解的电势为1.23V，假设成功消除了氧和氢逸出的超电势，半导体的理想带隙应在1.23eV左右。此时半导体与水的氧化还原电位完全一致，该带隙可吸收1000nm的光波。结合半导体物理性质与实际情况，再通过Bandgap(eV)=1240/λ(nm)计算可知，合适的半导体禁带宽度在1.50~3.10eV之间。图1.2H2O分解的氧化还原电位与半导体能带结构的关系。Figure1.2Relationshipbetweenbandstructureofsemiconductorandredoxpotentialsofwatersplitting.常见的PEC半导体主要包括硫化物、金属氧化物、钽酸盐、铌酸盐和钛酸盐等[14-19]，但是适合光电催化水分解的高功能材料仍未被发现。现有的光电极材料普遍存在稳定性差、光电转换效率低和光谱响应范围较窄等问题。例如：CdS电极，虽然具有合适的能带位置和可见光响应的带隙，但不能进行水分解反应[20]。光生电子更容易氧化CdS中的S2+而不是电解液中的H2O，这种现象被称为催化剂的光腐蚀。同样[21]，虽然WO3在Ag+和Fe3+等电子受体存在下，是一种良好的光催化剂，但其导带能级较低不利于H2的析出。TiO2作为半导体光电极材料的始祖，因其具有良好的稳定性而倍受青睐，但其带隙较宽，导致它仅能吸收4%~5%的地表太阳光,这也是大多数半导体材料共有的缺陷。因此对TiO2材料进行改性使其满足上述电极要求对PEC水分解反应刻不容缓。
群屠嘈汀⒎从κ奔洹⒎从ξ?度和前驱体的种类等水热条件对二氧化钛的形貌和结构有较大影响。但水热法也存在一些缺点：（1）反应动力学慢，反应时间长；（2）纳米棒或纳米管的长度较短；（3）纳米棒或纳米管生长不均匀。为解决上述问题，人们探索了很多方法，如微波辅助水热法和超声辅助水热法。Tang及其课题组[43]用搅拌水热法制备了无添加剂的TiO2基纳米管电极材料，在1D-TiO2发展过程中取得了重大突破。通过优化搅拌速度，获得了高长径比的均匀纳米管，该方法可制备用于长寿命和速充电锂离子电池的1D-TiO2纳米管材料。图1.3通过水热法合成的：（a）纳米管，（b）纳米棒，（c）纳米线，（d）纳米带和（e和f）纳米片。Figure1.3(a)Nano-tubes,(b)-rods,(c)-wires,(d)-belts,and(e,f)-sheetssynthesizedbyhydrothermalmethods.1.4.2溶剂热法溶剂热法是制备1D-TiO2纳米结构的常用方法之一，类似于水热法[44-46]。这两种方法所选前驱体类似，但是水热法一般在水溶液中进行，而溶剂热法一般在正己烷、乙二醇、乙醇等有机溶剂中进行。Wang等人[47]通过控制助溶剂，利用低温溶剂热法合成了TiO2单晶纳米线和多晶纳米管。所制备的1D-TiO2纳米结构作为锂离子电池的负极材料
【参考文献】：
期刊论文
[1]Morphology and photocatalytic performance of nano-sized TiO2 prepared by simple hydrothermal method with different pH values[J]. Hao Xu,Shi-Qi Liu,Shan Zhou,Tang-Zhi-Jiu Yuan,Xiang Wang,Xia Tang,Jian Yin,Hui-Jin Tao. Rare Metals. 2018(09)
[2]Resistive Switching Memory of TiO2 Nanowire Networks Grown on Ti Foil by a Single Hydrothermal Method[J]. Ming Xiao,Kevin P.Musselman,Walter W.Duley,Norman Y.Zhou. Nano-Micro Letters. 2017(02)
[3]2040年世界能源展望——埃克森美孚2016版预测报告简介[J]. 应启臣,曹勇. 当代石油石化. 2016(02)
[4]太阳能光解水的光阳极材料[J]. 周文理,谢青季,廉世勋. 化学进展. 2013(12)
[5]Dissolution of copper phthalocyanine and fabrication of its nano-structure film[J]. SU JinLi, XUE MinZhao, MA Ning, SHENG QiaoRong, ZHANG Qing & LIU YanGang School of Chemistry and Chemical Technology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China. Science in China（Series B:Chemistry）. 2009(07)
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