钒酸铋基催化剂的设计及光/电催化性能研究

发布时间：2023-01-13 18:05

　　利用光能驱动的光催化反应净化水质以及利用光/电能催化还原氮气制备氨（固氮）,已经成为一种低能耗、低污染且高效解决环境污染问题的有效方式。设计高效的催化剂成为光/电催化反应的关键问题。作为多元金属组分的半导体催化剂,钒酸铋具有晶体、能带结构独特以及化学稳定性优异等特点,是目前最被广泛研究的光催化材料之一。本论文利用静电纺丝法设计具有中空结构、异质结结构和同质结结构的钒酸铋及钒酸铋基复合物,深入研究其中空结构、能带错配等对光催化性能的影响和构效关系。此外,设计具有无定形纳米结构的钒酸铋和氮化碳聚合物,深入研究其缺陷结构对光催化Cr（VI）还原和电催化固氮性能的影响。通过使用有机盐诱导形成盐梯度制备介孔BiVO₄纳米管,所制备的介孔BiVO₄纳米管具有大的比表面积。使用无机盐制备BiVO₄纳米纤维,通过调控烧结过程的升温速率确定了纳米管的形成机制。改变盐物料的比例、组成及投放量均可以得到纳米管结构,表明该盐梯度机理具有一定的普适性。具有纳米管结构的BiVO₄光吸收能力显著增强,这是由于纳米管结构会使入射光... 

【文章页数】：165 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究目的与意义
    1.2 光催化反应
    1.3 光催化剂的主要分类及研究现状
        1.3.1 金属氧化物光催化剂
        1.3.2 金属硫化物光催化剂
        1.3.3 氮化碳聚合物光催化剂
    1.4 钒酸铋光催化剂及常见的改性研究
        1.4.1 控制BiVO_4 的暴露晶面
        1.4.2 与石墨烯复合
        1.4.3 纳米尺寸化
    1.5 其它的改性方法
        1.5.1 制备一维纳米结构
        1.5.2 构筑异质结结构
        1.5.3 构筑同质结结构
        1.5.4 富铋策略
        1.5.5 无定形化
    1.6 电催化固氮
    1.7 本文的主要研究内容
第2章 实验材料及方法
    2.1 实验试剂及仪器
        2.1.1 实验试剂
        2.1.2 实验仪器
    2.2 主要表征手段
        2.2.1 粉末X射线衍射(XRD)
        2.2.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)
        2.2.3 透射电子显微镜(TEM)
        2.2.4 紫外-可见漫反射光谱(UV–vis DRS)
        2.2.5 拉曼(Raman)光谱
        2.2.6 X射线光电子能谱(XPS)
        2.2.7 荧光光谱(PL)
        2.2.8 电子顺磁共振谱(EPR)
        2.2.9 孔径分布与比表面积(BET)
        2.2.10 光电化学性质
    2.3 催化性能测试
        2.3.1 光催化还原Cr(Ⅵ)反应
        2.3.2 光催化降解反应
        2.3.3 光催化固氮反应
        2.3.4 电催化固氮反应
第3章 钒酸铋纳米管催化剂的设计及光催化性能研究
    3.1 有机盐诱导盐梯度制备BiVO_4 纳米管
        3.1.1 BiVO_4 纳米管光催化剂形貌和结构分析
        3.1.2 BiVO_4 纳米管的形成机理分析
        3.1.3 BiVO_4 纳米管的孔结构与光吸收性质分析
        3.1.4 BiVO_4 纳米管的光催化活性
        3.1.5 有机盐诱导静电纺丝盐梯度机理制备纳米管的必要条件
    3.2 本章小结
第4章 钒酸铋基纳米异质结的设计及光催化性能研究
    4.1 Bi_2O_3 量子点表面修饰BiVO_4 纳米纤维
        4.1.1 Bi_2O_3 量子点表面修饰BiVO_4 纳米纤维的结构和组成分析
        4.1.2 Bi_2O_3 量子点表面修饰BiVO_4 纳米纤维的形成机理分析
        4.1.3 BQDs-BVNFs的光吸收与光催化性能分析
        4.1.4 BQDs-BVNFs的光生载流子的分离和传输行为
    4.2 Bi_4V_2O_(11) 纳米晶内嵌的BiVO_4 纳米纤维
        4.2.1 Bi_4V_2O_(11) 纳米晶内嵌的BiVO_4 纳米纤维的结构分析
        4.2.3 Bi_4V_2O_(11) 纳米晶内嵌的BiVO_4 纳米纤维的形貌分析
        4.2.4 Bi_4V_2O_(11) 纳米晶内嵌的BiVO_4 纳米纤维的形成机理分析
        4.2.5 BiVO_4/Bi_4V_2O_(11) 异质结的光催化性能分析
        4.2.6 BiVO_4/Bi_4V_2O_(11) 异质结的光吸收与光生载流子的分离行为
    4.3 氮化碳聚合物修饰的Bi_4V_2O_(11) 纳米纤维
    4.4 本章小结
第5章 富铋钒酸铋基同质结的设计及光催化性能研究
    5.1 Bi~(5+)自掺杂Bi_4V_2O_(11) p-n同质结光催化剂
        5.1.1 Bi~(5+)自掺杂Bi_4V_2O_(11) p-n同质结光催化剂的缺陷结构
        5.1.2 Bi~(5+)自掺杂Bi_4V_2O_(11) 光催化剂的形貌与形成机理
        5.1.3 Bi~(5+)自掺杂Bi_4V_2O_(11) p-n同质结光催化剂的光吸收与孔结构
        5.1.4 Bi~(5+)自掺杂Bi_4V_2O_(11) p-n同质结光催化剂的能带结构分析
        5.1.5 Bi~(5+)自掺杂Bi_4V_2O_(11) p-n同质结的载流子分离和传输行为分析
        5.1.6 Bi~(5+)自掺杂Bi_4V_2O_(11) p-n同质结的光催化性能分析
    5.2 α-βBi_4V_2O_(11) 相结光催化剂
        5.2.1 α-βBi_4V_2O_(11) 光催化剂的结构和形貌
        5.2.2 α-βBi_4V_2O_(11) 相结的形成机理
        5.2.3 α-βBi_4V_2O_(11) 相结的光吸收与载流子分离行为分析
        5.2.4 α-βBi_4V_2O_(11) 相结的光催化性能分析
    5.3 本章小结
第6章 含无定形结构的钒酸铋异质结与无定形氮化碳聚合物的设计及性能研究
    6.1 含无定形结构Bi_4V_2O_(11)/CeO2 异质结光催化剂
        6.1.1 含无定形结构Bi_4V_2O_(11)/CeO2 异质结的结构和组成分析
        6.1.2 含无定形结构Bi_4V_2O_(11)/CeO2 异质结的形成机理分析
        6.1.3 含无定形结构Bi_4V_2O_(11)/CeO2 异质结的缺陷结构分析
        6.1.4 含无定形结构Bi_4V_2O_(11)/CeO2 异质结的能带结构分析
        6.1.5 Bi_4V_2O_(11)/CeO2 的光生载流子分离行为分析与光催化性能测试
        6.1.6 Bi_4V_2O_(11)/CeO2 的电催化固氮性能测试
    6.2 无定形氮化碳聚合物光催化剂
        6.2.1 无定形氮化碳聚合物的制备及结构分析
        6.2.2 无定形氮化碳聚合物的载流子传输与光催化性能测试
        6.2.3 无定形氮化碳聚合物的电催化固氮性能测试
    6.3 本章小结
结论
创新点
展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历


【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化碳聚合物半导体光催化[J]. 张金水,王博,王心晨.  化学进展. 2014(01)
[2]石墨相氮化碳的化学合成及应用[J]. 张金水,王博,王心晨.  物理化学学报. 2013(09)
[3]纳米TiO2光催化技术及其在降解汽车尾气中的应用[J]. 谢杰光,匡亚川.  材料导报. 2012(15)
[4]中国的能源与环境:问题及对策[J]. 王庆一.  能源与环境. 2005(03)
[5]半导体光催化研究进展与展望[J]. 韩世同,习海玲,史瑞雪,付贤智,王绪绪.  化学物理学报. 2003(05)



本文编号：3730608