BiYO3基复合光催化剂的制备及其在光催化分解水产氢中的应用

摘要

光催化分解水产生氢气被认为是有效解决全球能源匮乏的有前途的策略之一。然而，单一半导体的光催化性能却因光生电子空穴复合严重而受到限制。构建复合催化剂可以使得光生电子空穴在两半导体间转移，进而可以通过两者的协同作用来提高光催化性能。
　　本文先通过对八种半导体催化剂进行活性测试，选出两种具有良好光催化活性的半导体，然后再与BiYO3复合构建复合光催化剂，并研究了其在光催化分解水产氢方面的应用。主要内容包括以下三方面内容:
　　(1)以三聚氰胺和尿素为前驱体，分别通过高温热聚合法和化学法制备出有机聚合物g-C3N4;通过沉淀法，水热法和溶胶凝胶法制备出ZnO、CeO2、TiO2金属氧化物。将上述有机聚合物g-C3N4和金属氧化物作为光催化剂并应用在光催化分解水产氢反应中。通过X射线衍射(XRD)对催化剂进行表征，结果表明，高温热聚合法和化学法均可制备出有机聚合物g-C3N4，但化学法制备的g-C3N4结晶度稍差;沉淀法，水热法和溶胶凝胶法制备的ZnO、CeO2、TiO2均为单组分物质。有机聚合物g-C3N4活性测试结果表明，以尿素为前驱体，经高温聚合法得到的g-C3N4具有最好的光催化活性;金属氧化物活性测试结果表明，以溶胶凝胶法制备的TiO2具有最好的光催化活性。
　　(2)将光催化活性最好的有机聚合物g-C3N4根据静电自组装的方法与BiYO3复合合成g-C3N4/BiYO3复合物光催化剂并应用于光催化分解水产氢反应，通过实验确定出g-C3N4与BiYO3的最佳质量配比为2并通过XRD、TEM、XPS和PL等手段对催化剂进行了表征。结果表明，g-C3N4与BiYO3之间存在相互作用而形成一个两相接触界面，通过该接触界面，光生电子可以从g-C3N4的导带转移至BiYO3的导带同时光生空穴从BiYO3的价带转移至g-C3N4的价带，从而能抑制各半导体产生的光生电子空穴的复合。经4h光照，质量比为3，2，1，0.5的复合物的光催化分解水产氢速率分别为61.2，150.6，53.5和46.2μmol·gcat-1，而g-C3N4和BiYO3在相同实验条件下的光催化分解水产氢速率分别是17.9和23.6μmol·gcat-1。所有配比的复合物均可通过两半导体协同作用来提升光催化分解水产氢的性能，其中质量比为2的复合物光催化分解水产氢的速率为是单独g-C3N4光催化分解水产氢速率的8.4倍，是单独BiYO3光催化分解水产氢速率的6.4倍。
　　(3)将光催化活性最好的金属氧化物即自制TiO2根据改进的溶胶凝胶法与BiYO3复合合成TiO2/BiYO3复合物光催化剂并应用于光催化分解水产氢反应中，然后通过实验确定出最佳的TiO2前驱体与BiYO3的质量比为7。最后，对催化剂进行了表征。实验结果表明，BiYO3可以作为电子和空穴的受体接受TiO2产生的光生电子和空穴，从而抑制了TiO2光生电子空穴的复合。经4h光照，质量比为3，5，7，9的复合物的光催化分解水产氢速率分别是155.4，281.8，635.5和553.1μmol·gcat-1，而TiO2和BiYO3在相同实验条件下的光催化分解水产氢速率分别是62.2和11.1μmol·gcat-1。所有复合物与单独物质相比，均表现出优异的光催化分解水产氢活性。其中，TiO2前驱体与BiYO3质量比为7的复合物光催化剂的光催化分解水产氢速率是单独TiO2光催化分解水产氢速率的10.3倍，是单独BiYO3光催化分解水产氢速率的57.7倍。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 前言

1．2 光催化原理

1．2．1 光催化基础知识

1．2．2 光催化分解水基本原理

1．2．3 光催化分解水热力学参数

1．3 光催化分解水产H2研究进展

1．3．1 金属氧化物分解水产H2研究进展

1．3．2 硫化物基光催化剂分解水产H2研究进展

1．3．3 有机聚合物g-C3N4基光催化剂分解水产H2研究进展

1．3．4 铋系光催化剂分解水产H2研究进展

1．4 选题依据、意义及研究内容

1．4．1 选题依据及意义

1．4．2 研究内容

第二章 有机聚合物g-C3N4和无机金属氧化物的制备与选择

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 催化剂的制备

2．2．2 催化剂表征

2．2．3 光催化分解水产H2反应

2．3 结果与讨论

2．3．1 X射线衍射分析

2．3．2 场发射扫描电镜分析

2．3．3 光催化产H2活性

2．4 本章小结

第三章 g-C3N4／BiYO3的制备及光催化分解水产氢

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．3 光催化剂表征

3．2．4 光催化分解水产H2反应及光催化分解水产氢循环实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 X射线衍射分析

3．3．2 形貌和微观结构分析

3．3．3 表面积及孔结构分析

3．3．4 紫外可见漫反射光谱分析

3．3．5 X射线光电子能谱分析

3．3．6 电化学阻抗谱和光电流分析

3．3．7 光致发光荧光光谱分析

3．3．8 光催化产H2活性

3．3．9 催化剂用量对光催化产H2的影响

3．3．10 催化剂重复使用

3．3．11 光催化机理分析

3．4 小结

第四章 TiO2／BiYO3的制备及光催化分解水产氢

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 BiYO3的制备

4．3．2 透射电镜分析

4．3．3 X射线光电子能谱分析

4．3．4 紫外可见漫反射光谱分析

4．3．5 光致荧光发光光谱分析

4．3．6 光电化学图谱分析

4．3．7 光催化分解水产H2活性

4．3．8 催化剂重复使用

4．3．9 光催化反应机理分析

4．4 小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况