金属纳米粒子表面等离子体光催化剂的制备、表征和光催化产氢性能研究

发布时间：2017-09-16 04:36

  本文关键词：金属纳米粒子表面等离子体光催化剂的制备、表征和光催化产氢性能研究

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【摘要】：环境污染与能源危机是当今人类所面临的两个重大问题。光催化技术作为一门新兴的技术,为人类解决环境污染与能源危机提供了新的途径。经过几十年的发展,光催化技术在光降解有机污染物、光解水制氢、光催化还原二氧化碳等方面取得了令人瞩目的成果。但在光催化剂材料中普遍存在光响应范围窄、光生电子-空穴对易复合等诸多问题导致的光催化效率较低,在很大程度上限制了光催化技术的工业化应用。最近几年,表面等离子体光催化剂逐渐发展起来,由于其能增强光的吸收,促进光生电荷的分离,从而有利于光催化效率的提高,引起了人们的关注。这类表面等离子体光催化剂主要是贵金属负载到半导体或其他载体上(活性炭,石墨烯,纤维等),但是单独的金属纳米粒子表面等离子体共振光催化剂鲜有报道。此外,离子掺杂是半导体光催化剂改性的一个重要手段,即通过离子掺杂可以拓宽半导体的光谱吸收范围,调节禁带宽度,降低光生电荷复合的几率,从而提高光催化效率。本文研究了金属纳米粒子的表面等离子体光催化产氢性能,以及通过离子掺杂调控半导体带隙,改善其光催化性能,主要内容如下:(1)采用多种方法合成了不同粒径的铜纳米粒子,对其光催化活性进行测试。其中,原位合成的铜纳米粒子在乳酸作为牺牲剂的条件下产氢效率达到35mmol?g-1?h-1。此外,这个原位合成的铜纳米粒子光催化剂可以重复使用,在5个12h循环中光催化产氢活性没有降低。另外,使用C60作为助催化剂,会使铜纳米粒子的光催化活性大幅提高,在乳酸作为牺牲剂的条件下,产氢速率达到54.58mmol?g-1?h-1,是单独铜纳米粒子作为催化剂时产氢量的1.5倍。(2)建立了一个新型的光催化产氢体系,采用简便的光致还原法成功的制备出了银纳米粒子。银纳米粒子作为一个新兴的光催化剂展现出了良好的光催化产氢活性。在没有任何半导体存在,三乙醇胺作为牺牲剂的条件下光催化产氢速率达到20mmol?g-1?h-1。通过设计PVP绝缘层包裹的银纳米粒子核/壳结构,验证了银纳米粒子的表面等离子体光催化机理。另外,使用C60作为助催化剂,使银纳米粒子的光催化活性大幅提高,最高产氢速率是单独银纳米粒子作为催化剂时产氢量的2.6倍。(3)通过凝胶溶胶法合成了Ce,Sb共掺杂的SnO2(Ce/ATO)纳米结构的粒子,并对Ce掺杂ATO样品进行了X-粉末衍射(PXRD),场发射扫描电镜(SEM),紫外-可见漫反射光谱(Uv-vis),荧光光谱(PL),X-射线光电子能谱(XPS)对Ce掺杂的ATO样品进行了结构、形貌,光学性质以及组成元素价态表征。在光催化产氢测试中Ce/ATO表现出了光催化产氢活性,其中4mol%Ce/ATO样品的光催化活性最好,乳酸作为牺牲剂,在光照下产氢速率达到(8.5μmol?g-1?h-1)。研究表明Ce可以调节ATO的禁带宽度,抑制光生电子-空穴对的再复合,从而提高光催化活性。
【关键词】：光催化 表面等离子体 铜纳米粒子 银纳米粒子 Ce/ATO H2
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ116.2;O643.36
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-63
• 1.1 引言12-13
• 1.2 光催化的原理13-14
• 1.3 光催化的发展历程14-15
• 1.4 光催化剂的分类15-39
• 1.4.1 半导体光催化剂15-24
• 1.4.2 表面等离子体光催化剂24-39
• 1.5 本文选题依据和主要内容39-41
• 参考文献41-63
• 第二章 金属铜纳米粒子的制备及其光催化产氢性能研究63-88
• 2.1 引言63-64
• 2.2 实验部分64-68
• 2.2.1 实验药品64-65
• 2.2.2 实验仪器设备65-66
• 2.2.3 铜纳米粒子的合成66-67
• 2.2.4 光催化活性测试67
• 2.2.5 数据表征67-68
• 2.3 结果与讨论68-83
• 2.3.1 催化剂Cu的XRD分析68-69
• 2.3.2 催化剂Cu的SEM和TEM分析69-71
• 2.3.3 催化剂Cu纳米粒子X-射线光电子能谱分析和紫外可见吸收分析71-73
• 2.3.4 光催化活性测试及其机理研究73-83
• 2.4 本章小结83-84
• 2.5 参考文献84-88
• 第三章 C_(60)复合铜纳米粒子光催化剂的制备与光催化产氢性能研究88-102
• 3.1 引言88
• 3.2 实验部分88-92
• 3.2.1 实验所用药品，，规格，厂家88-90
• 3.2.2 实验仪器设备90-91
• 3.2.3 样品制备91
• 3.2.4 样品表征91
• 3.2.5 光催化性能测试91-92
• 3.3 结果与讨论92-98
• 3.3.1 XRD数据分析92-93
• 3.3.2 催化剂C_(60)-Cu纳米粒子复合物的SEM和TEM分析93-95
• 3.3.3 催化剂C_(60)-CuNPs和CuNPs的吸收光谱分析95-96
• 3.3.4 C_(60)-CuNPs和CuNPs光催化产氢活性测试96-97
• 3.3.5 C_(60)促进CuNPs光催化活性的机制97-98
• 3.4 本章小结98
• 3.5 参考文献98-102
• 第四章 AgNPs的制备和作为光催化剂产氢研究102-122
• 4.1 引言102
• 4.2 实验部分102-105
• 4.2.1 实验所用药品，规格，厂家102-104
• 4.2.2 实验仪器设备104
• 4.2.3 银纳米粒子的合成104-105
• 4.2.4 数据表征105
• 4.3 结果与讨论105-117
• 4.3.1 XRD数据分析105-106
• 4.3.2 EDS数据测试106-107
• 4.3.3 紫外-可见吸收光谱测试107-108
• 4.3.4 银纳米粒子的TEM表征108
• 4.3.5 X-射线光电子能谱（XPS）的测试108-109
• 4.3.6 光催化产氢活性测试及光催化机理研究109-112
• 4.3.7 光电响应测试112-117
• 4.4 本章小结117-118
• 4.5 参考文献118-122
• 第五章 C_(60)复合银纳米粒子光催化剂的制备与光催化产氢性能研究122-135
• 5.1 引言122
• 5.2 实验部分122-125
• 5.2.1 实验药品和仪器122-124
• 5.2.2 样品的制备124-125
• 5.2.3 样品表征125
• 5.2.4 光催化性能测试125
• 5.3 结果与讨论125-132
• 5.3.1 XRD数据分析125-127
• 5.3.2 催化剂C_(60)-Ag纳米粒子复合物的TEM分析127-128
• 5.3.3 催化剂C_(60)-AgNPs和AgNPs的紫外可见吸收分析128-129
• 5.3.4 C_(60)-AgNPs和AgNPs光催化产氢活性测试129-131
• 5.3.5 C_(60)促进AgNPs光催化活性的机制131-132
• 5.4 本章小结132
• 5.5 参考文献132-135
• 第六章 Ce, Sb共掺杂SnO_2的制备及光催化产氢性能研究135-158
• 6.1 引言135-136
• 6.2 实验部分136-139
• 6.2.1 实验所用药品，规格，厂家136-137
• 6.2.2 实验仪器设备137-138
• 6.2.3 催化剂的合成及表征138-139
• 6.3 结果与讨论139-152
• 6.3.1 XRD表征139-140
• 6.3.2 ATO和Ce掺杂ATO样品EDS表征140-141
• 6.3.3 ATO和Ce掺杂ATO样品X射线光电子能谱表征141-145
• 6.3.4 Ce和Sb共掺杂ATO样品形貌表征145-146
• 6.3.5 ATO和Ce掺杂ATO样品的表面吸附测试146-147
• 6.3.6 ATO和Ce掺杂ATO样品紫外可见光学测试147-150
• 6.3.7 光催化活性测试150-152
• 6.4 本章小结152-153
• 6.5 参考文献153-158
• 总结与展望158-161
• 总结158-159
• 展望159
• 本文的创新点159-161
• 攻读博士学位期间取得的研究成果161-162
• 致谢162-163
• 附件163

【参考文献】

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1 李冰;姚明光;李春杰;杜明润;刘冰冰;;水溶性C_(60)纳米颗粒的超声辅助制备及发光性质研究[J];高等学校化学学报;2014年05期

本文编号：860954