金属离子掺杂钛基氧化物光解水制氢性能研究

摘要

利用太阳能光催化分解水制氢是21世纪人类从根本上解决能源问题最理想的手段之一，并受到各国科学家的高度重视。三十多年来，光分解水制氢催化剂的合成已取得一系列成果，但催化剂活性低(产氢速率小)及光吸收阈值小(多数仅能响应紫外光)仍是当前光催化研究中面临的最大难题。基于这些问题，本论文考察了金属离子修饰对钛基氧化物制氢性能的影响：
　　 采用溶胶-凝胶(乙醇)法500℃焙烧下制备了纯的和In3+掺杂的TiO2光催化剂，并利用XRD，DRS等表征手段进行表征。考察了紫外光下In3+掺杂量对TiO2分解水制氢性能的影响，结果显示In的掺杂提高了TiO2的光催化活性，In的最佳掺杂量为nIn：nTi)0.3％。XRD显示掺入的In有效抑制了TiO2晶粒的生长，使表面积增大，增加了制氢活性位。系统考察了担载物种、担载量、牺牲试剂、反应温度对制氢活性的影响：0.5wt％Pt担载最佳，牺牲试剂以甲醇为优，反应温度应控制在20℃以上。
　　 用溶胶-凝胶(异丙醇)法950℃制备了纯的和Cr、Fe掺杂的K2La2Ti3O10光催化剂，并采用XRD，DRS及XPS等表征手段，研究催化剂的结构和光电性质，讨论了掺杂影响K2LaTi3O10光催化性能的机理。研究结果表明：可见光下掺杂能显著提高K2La2Ti3O10的制氢活性，顺序为Fe- K2La2Ti3O10>Cr-K2La2 Ti3O10> K2La2Ti3O10。当nCr:nTi=0.02；nFe:nTi=0.04时其催化活性最高，其产氢速率分别为0.84和1.92μmoL/h约为未掺杂的1.8和4倍(0.49μmoL/h)。XPS显示掺杂的Fe为+3价。掺Fe后形成杂质能级提高可见光的利用率以及Fe离子捕获光生载流子阻止其复合，同时增加催化剂表面的氧缺位，提高界面电子的迁移速率是提高催化剂活性的主要因素。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 光解水制氢途径

1.2.1 光电化学池

1.2.2 光络合催化法

1.2.3 半导体催化法

1.3 光解水制氢的原理

1.4 提高光催化分解水反应效率的途径

1.5 太阳能光催化分解水制氢研究现状

1.5.1 紫外光催化分解水制氢研究进展

1.5.2 可见光光催化分解水制氢研究进展

1.6 本论文研究课题的提出

第二章 实验部分

2.1 主要化学试剂和实验设备

2.1.1 化学试剂

2.1.2 实验气体

2.1.3 主要实验仪器

2.2 催化剂的制备

2.2.1TiO2及In掺杂TiO2催化剂的制备

2.2.2 K2La2Ti3O10及Cr、Fe掺杂K2La2Ti3O10催化剂的制备

2.2.3 光催化的负载

2.3 光催化分解水反应

2.3.1 反应系统

2.2.2 温度控制系统

2.2.3 检测系统

2.4 产氢量的计算

2.5 光催化剂的表征方法

2.5.1 X射线衍射分析(XRD)

2.5.2 UV—Vis漫反射光谱(DRS)

2.5.3 X射线光电子能谱(XPS)

2.5.4 比表面积测试(BET)

第三章 紫外光下In掺杂对TiO2分解水制氢活性的影响

3.1 引言

3.2 样品的XRD分析

3.3 样品的UV—Vis漫反射光谱(DRS)研究

3.4 In掺杂量对TiO2光催化制氢活性的影响

3.5 负载金属(氧化物)对In—TiO2光催化制氢活性的影响

3.6 Pt担载量对In—TiO2光催化制氢活性的影响

3.7 牺牲试剂对In—TiO2光催化制氢活性的影响

3.8 反应温度对In—TiO2光催化制氢活性的影响

3.9 本章小结

第四章 可见光下Cr、Fe的掺杂对K2La2Ti3O10制氢性能研究

4.1 引言

4.2 光源中紫外光的滤除

4.3 Cr掺杂对K2La2Ti3O10制氢性能的影响

4.3.1 XRD分析

4.3.2 DRS分析

4.3.4 Cr掺杂K2La2Ti3O10催化剂的产氢性能

4.4 Fe掺杂对K2La2Ti3O10制氢性能的影响

4.4.1 XRD分析

4.4.2 XPS分析

4.4.3 UV—Vis漫反射光谱(DRS)研究

4.4.4 Fe掺杂K2La2Ti3O10催化剂的产氢性能

4.5 本章小结

结论

5.1 本论文的主要成果与结论

5.2 本论文的主要创新点

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢