金属与其界面催化位点协同型TiO 2 的合成及光催化产氢性能
发布时间：2022-01-20 01:46
近年来,半导体光催化剂分解水制氢技术是最有可能解决能源问题的手段之一。TiO2由于其稳定性好、资源丰富、无毒无害的优点,是众多光催化剂中最有发展前景的材料之一。由于其较宽的带隙（Eg=3.2 eV）只能响应太阳光中约5%的紫外光,而对太阳光中绝大部分的可见光不能响应。此外,TiO2在光催化过程中光生电子和空穴容易复合,导致了TiO2的量子效率和光催化活性很低。因此,对TiO2进行改性提升其光催化制氢性能显得十分重要。助剂修饰是最有效的提高半导体材料的光催化性能改性方法之一。作为电子助剂中运用得最广泛的一类助剂,贵金属（如Pt、Au、Ag、Pd等）助剂可以改善TiO2及其他光催化剂的性能,主要原因是由于贵金属能从半导体表面迅速捕获和转移电子。除了贵金属之外,有许多研究证明价格低廉、资源丰富的非贵金属（如Cu、Co、Ni等）可以用作电子助剂。在光催化制氢过程中,光催化剂中电子的转移和随后发生的界面催化反应都能影响光催化剂的光催化制氢活性。然而,由于大多数金属（...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化机理图[27]
61.2二氧化钛基光催化剂制氢的研究现状1.2.1二氧化钛基光催化剂的制氢机理半导体材料能光催化制氢的前提：其导带位要比H+/H2的标准电极电势位置要更负。使用较多的TiO2的导带位标准电势为-0.26V(vs.SHE)，比H+/H2的标准电极电势位置更负，因此当TiO2光催化剂受到紫外光照射的时候，可以发生光催化产氢反应。TiO2光催化产氢反应主要包括以下三个步骤，如图1-2所示：(1)光源激发过程：TiO2光催化剂受到紫外光照射激发的时候，TiO2价带上的电子跃迁到导带位置从而形成光生电子，并在价带位置留下光生空穴，形成了电子-空穴对：(2)电荷转移过程：激发态光生电子和光生空穴会分别向材料表面进行迁移；(3)界面反应过程：在TiO2光催化剂表面，光生电子会与溶液中的质子发生还原反应生成氢气，而光生空穴会与溶液中的牺牲剂发生氧化反应生成CO2和H2O。图1-2TiO2光催化产氢机理图1.2.2二氧化钛基光催化剂光催化制氢性能增强方法二氧化钛有着稳定、资源丰富、无毒无害的优点，是众多光催化剂中最有发展前景的材料之一。但是由于其较宽的带隙(Eg=3.2eV)只能响应太阳光中的
7约5%的紫外光，对太阳光中绝大部分的可见光不能响应，而且光催化过程中有电子转移速率缓慢、光生电子和空穴容易复合、表面活性位点稀少等缺点，这些共同导致了TiO2的量子产率和光催化活性很低。为了进一步提升TiO2的制氢性能，对其进行改性十分重要。目前对TiO2进行改性常用的方法主要有：(1)半导体耦合；(2)元素掺杂；(3)形貌调控；(4)染料敏化：(5)助剂修饰等方法。1.2.2.1半导体耦合TiO2的禁带宽度较大，不利于可见光的吸收，与窄禁带宽度的半导体材料复合，可以使光生载流子由一种半导体的能级注入到另一种半导体的能级上。从而降低材料的禁带宽度，使其在可见光范围内有吸收，从而提高制氢性能。Yan等人[46]通过煅烧三聚氰胺的方法得到g-C3N4，水解四氯化钛的方法得到TiO2，通过将g-C3N4和TiO2进行球磨以及共煅烧的方法得到图1-3所示的g-C3N4/TiO2纳米复合材料，发现该样品发生明显的红移，在可见光下有吸收。Sasikala等人[47]采用多元醇法合成了SnO2修饰的TiO2纳米复合光催化剂。由于SnO2导带位置低于TiO2的导带位置，所以光生电子从TiO2导带传输到SnO2导带比较容易，从而加速了电子和空穴的分离，因此光催化活性高于纯TiO2。Si等人[48]采用水热法制备Co3O4-TiO2纳米颗粒，利用p型半导体Co3O4和n型半导体TiO2复合形成p-n结，可以提高对可见光的吸收率。图1-3g-C3N4/TiO2纳米复合材料的光催化原理[46]
【参考文献】：
期刊论文
[1]多壁碳纳米管（MWCNTs）负载锰掺杂二氧化钛（Mn-TiO2）在SO2光催化脱除中的应用[J]. 支静涛,刘浩,于贤群,王婕,郝江涛,杨宏旻. 南京师范大学学报(工程技术版). 2016(03)
[2]二氧化钛纳米材料的非均相光催化本质及表面改性（英文）[J]. 温九清,李鑫,刘威,方岳平,谢君,徐悦华. 催化学报. 2015(12)
[3]纳米二氧化钛环保涂料降解汽车尾气氮氧化合物效果研究[J]. 乔晓军,李佩,文龙. 施工技术. 2014(S2)
[4]Ag/TiO2纳米复合材料的结构及抗菌性能研究[J]. 李艳琼,余巍,张俊敏,毕珺,谭志龙,王传军,潘勇,管伟明,闻明. 贵金属. 2011(04)
[5]多层自组装硫脲和纳米金电流型萘免疫传感器的研究[J]. 张岩,庄惠生. 分析化学. 2010(02)
[6]C-N共掺杂纳米TiO2的制备及其光催化制氢活性[J]. 张晓艳,崔晓莉. 物理化学学报. 2009(09)
[7]超细钴掺杂二氧化钛的制备、表征及气相光催化性能[J]. 张前程,张凤宝,张国亮,张晓萍. 燃料化学学报. 2004(02)
[8]2-巯基乙醇自组装膜电极对多巴胺电催化氧化及其分析应用[J]. 张修华,王升富. 分析化学. 2002(11)
[9]TiO2光催化空气净化及抗菌材料的研究与应用[J]. 肖新颜,陈焕钦,万彩霞. 化学研究与应用. 2002(05)
本文编号：3597948
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化机理图[27]
61.2二氧化钛基光催化剂制氢的研究现状1.2.1二氧化钛基光催化剂的制氢机理半导体材料能光催化制氢的前提：其导带位要比H+/H2的标准电极电势位置要更负。使用较多的TiO2的导带位标准电势为-0.26V(vs.SHE)，比H+/H2的标准电极电势位置更负，因此当TiO2光催化剂受到紫外光照射的时候，可以发生光催化产氢反应。TiO2光催化产氢反应主要包括以下三个步骤，如图1-2所示：(1)光源激发过程：TiO2光催化剂受到紫外光照射激发的时候，TiO2价带上的电子跃迁到导带位置从而形成光生电子，并在价带位置留下光生空穴，形成了电子-空穴对：(2)电荷转移过程：激发态光生电子和光生空穴会分别向材料表面进行迁移；(3)界面反应过程：在TiO2光催化剂表面，光生电子会与溶液中的质子发生还原反应生成氢气，而光生空穴会与溶液中的牺牲剂发生氧化反应生成CO2和H2O。图1-2TiO2光催化产氢机理图1.2.2二氧化钛基光催化剂光催化制氢性能增强方法二氧化钛有着稳定、资源丰富、无毒无害的优点，是众多光催化剂中最有发展前景的材料之一。但是由于其较宽的带隙(Eg=3.2eV)只能响应太阳光中的
7约5%的紫外光，对太阳光中绝大部分的可见光不能响应，而且光催化过程中有电子转移速率缓慢、光生电子和空穴容易复合、表面活性位点稀少等缺点，这些共同导致了TiO2的量子产率和光催化活性很低。为了进一步提升TiO2的制氢性能，对其进行改性十分重要。目前对TiO2进行改性常用的方法主要有：(1)半导体耦合；(2)元素掺杂；(3)形貌调控；(4)染料敏化：(5)助剂修饰等方法。1.2.2.1半导体耦合TiO2的禁带宽度较大，不利于可见光的吸收，与窄禁带宽度的半导体材料复合，可以使光生载流子由一种半导体的能级注入到另一种半导体的能级上。从而降低材料的禁带宽度，使其在可见光范围内有吸收，从而提高制氢性能。Yan等人[46]通过煅烧三聚氰胺的方法得到g-C3N4，水解四氯化钛的方法得到TiO2，通过将g-C3N4和TiO2进行球磨以及共煅烧的方法得到图1-3所示的g-C3N4/TiO2纳米复合材料，发现该样品发生明显的红移，在可见光下有吸收。Sasikala等人[47]采用多元醇法合成了SnO2修饰的TiO2纳米复合光催化剂。由于SnO2导带位置低于TiO2的导带位置，所以光生电子从TiO2导带传输到SnO2导带比较容易，从而加速了电子和空穴的分离，因此光催化活性高于纯TiO2。Si等人[48]采用水热法制备Co3O4-TiO2纳米颗粒，利用p型半导体Co3O4和n型半导体TiO2复合形成p-n结，可以提高对可见光的吸收率。图1-3g-C3N4/TiO2纳米复合材料的光催化原理[46]
【参考文献】：
期刊论文
[1]多壁碳纳米管（MWCNTs）负载锰掺杂二氧化钛（Mn-TiO2）在SO2光催化脱除中的应用[J]. 支静涛,刘浩,于贤群,王婕,郝江涛,杨宏旻. 南京师范大学学报(工程技术版). 2016(03)
[2]二氧化钛纳米材料的非均相光催化本质及表面改性（英文）[J]. 温九清,李鑫,刘威,方岳平,谢君,徐悦华. 催化学报. 2015(12)
[3]纳米二氧化钛环保涂料降解汽车尾气氮氧化合物效果研究[J]. 乔晓军,李佩,文龙. 施工技术. 2014(S2)
[4]Ag/TiO2纳米复合材料的结构及抗菌性能研究[J]. 李艳琼,余巍,张俊敏,毕珺,谭志龙,王传军,潘勇,管伟明,闻明. 贵金属. 2011(04)
[5]多层自组装硫脲和纳米金电流型萘免疫传感器的研究[J]. 张岩,庄惠生. 分析化学. 2010(02)
[6]C-N共掺杂纳米TiO2的制备及其光催化制氢活性[J]. 张晓艳,崔晓莉. 物理化学学报. 2009(09)
[7]超细钴掺杂二氧化钛的制备、表征及气相光催化性能[J]. 张前程,张凤宝,张国亮,张晓萍. 燃料化学学报. 2004(02)
[8]2-巯基乙醇自组装膜电极对多巴胺电催化氧化及其分析应用[J]. 张修华,王升富. 分析化学. 2002(11)
[9]TiO2光催化空气净化及抗菌材料的研究与应用[J]. 肖新颜,陈焕钦,万彩霞. 化学研究与应用. 2002(05)
本文编号：3597948
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