火焰喷雾合成CuOX/TiO2复合催化剂的光催化性能研究

摘要

光催化制氢作为一种新型的太阳能利用方式受到了人们越来越多的关注。然而，目前光催化制氢面临着两大主要问题：(1)受到催化剂自身能带结构的影响，大部分光催化剂在可见光区域的光吸收能力较差。(2)光生电子空穴对分离效率低下，导致大量电子空穴对在进行氧化还原反应前复合。
　　首先本文通过火焰喷雾热解合成了CuO/TiO2异质结光催化剂，通过TEM分析发现样品为粒径在30nm左右的球形颗粒组成。分析表明CuO的加入提高了样品在可见光区域的光响应性，且随着CuO含量的增加，其在可见光区域的光吸收能力越强。在光催化实验中CuO/TiO2异质结光催化剂表现出了远高于纯TiO2(P25)的光催化活性。其中2％wt CuO含量的样品表现出了最高的光催化活性，其12h的产氢速率达到了88.8μmol/h，是P25产氢速率的17.5倍。通过理论计算证明了CuO/TiO2异质结的存在能够有效促进光生电子空穴对的分离，使得电子聚集在TiO2的导带，而空穴向CuO的价带移动。当CuO含量提升至20%wt时，样品则不再具有光催化活性。通过XPS分析发现，样品表面的CuO含量要远高于样品体相的CuO含量。而TiO2表面的活性位点是发生还原半反应生成氢气的场所，对于20%wt CuO含量的样品来说，其表面的CuO含量达到了50%左右，过多CuO在表面遮蔽了TiO2的活性位点，因而造成了样品的失活。
　　而后通过对CuO/TiO2异质结结构的能带结构进行分析计算发现，在CuO与TiO2导带之间的位置会形成一个向上凸起的小尖峰，在一定程度上影响了电子空穴对的分离效率。因此利用化学吸附仪将火焰合成的CuO/TiO2样品进行氢气还原，通过TEM以及XPS分析结果，证明了还原后所得的样品为CuO、Cu2O和TiO2三相混合的样品，即CuxO/TiO2。还原后的样品在光催化实验中表现出比较好的光催化性能，高于未经过还原的样品。说明了Cu2O与TiO2界面之间的异质结能够更有效率的进行电子空穴对的分离，从而提高光催化效率。
　　总的来说，本文通过构造制备CuO/TiO2异质结结构以及CuxO/TiO2多重异质结结构，成功的改善了纯TiO2在可见光区域的光吸收性能并通过促进光生电子空穴对的分离从而提高了其光催化性能。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 光催化基本原理

1.3 不同光催化体系介绍

1.4 光催化剂改性方法介绍

1.5半导体异质结结构光催化剂

1.6 本文研究内容

2 火焰喷雾热解合成纳米CuO颗粒及光催化实验台架介绍

2.1 火焰喷雾热解合成CuO和TiO2

2.2 样品表征

2.3 光催化实验

2.4 本章小结

3. 火焰喷雾热解合成CuO/TiO2的光催化性能研究

3.1 实验部分

3.2 样品表征

3.3 光催化实验

3.4 本章小结

4. 氢气还原CuxO/TiO2的光催化性能研究

4.1 实验部分

4.2 样品表征

4.3 光催化实验

4.4 本章小结

5. 全文总结及展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文目录