新型光催化材料的形貌调控及其光解水制氢性能研究

摘要

能源危机和环境恶化是当前人类社会所面临的两个重大问题，开发可持续利用的清洁能源是解决上述问题的有效途径之一。氢能作为一种环境友好的清洁能源被认为是可替代化石燃料的重要能源。其中光催化分解水制氢是一种重要的环境友好清洁能源制备技术。然而很多半导体光催化剂（例如TiO2，CdS）由于带隙太宽、易发生光腐蚀以及量子效率低等原因使其光解水制氢效率不高。为了解决上述问题，人们相继通过掺杂、表面改性、构建异质结构等途径来试图提高这些半导体材料的光催化活性，但仍然存在诸如光响应范围窄、量子效率低等问题。此外，由于贵金属可以有效地促进电荷分离，大多数光解水实验都需要贵金属作为助催化剂，然而贵金属成本很高，并不适合在实际生产中大规模使用。因此，光解水制氢的发展方向应该是开发具有高效催化活性的新型光催化剂，在无贵金属负载的条件下亦具备很好的光解水制氢性能。
　　由于光催化剂的形貌对光催化活性起着重要作用，因此形貌控制一直是研究热点。近些年，光催化剂的形貌、晶相、电子寿命、能带、电子结构、缺陷及表面态等方面的研究都得到了人们的广泛关注。其中，具有低维结构和特殊形貌的纳米材料由于在很多领域都可以发挥卓越的性能而吸引了众多的研究兴趣。研究开发形貌、维度可控的微纳米催化材料及低维半导体材料是提高光解水制氢效率的有效途径。本论文采用不同的方法成功合成了具有特殊形貌和优异光解水制氢性能的光催化剂，并深入探讨了材料的制备机理、形貌的形成机理、材料的形貌和光催化活性之间的关系，为进一步研究高效催化活性的新型催化剂材料提供理论支持。主要研究结果如下：
　　（1）研究发现特殊形貌磷酸钛在无贵金属作为助催化剂的条件下亦具有优良的光解水制氢性能。磷酸的加入量对磷酸钛的晶型及形貌起着重要的作用，通过调节磷酸的加入量，成功制备了具有不同维度的特殊形貌磷酸钛，如一维纤维状、二维片状和三维花状。并对其特殊形貌的形成机理以及光解水机理等进行了深入分析。
　　（2）用低温（120 oC）水热法成功合成了具有非晶/晶体异质结构的ZnO/TiO2复合光催化剂，其在无任何贵金属助催化剂时也可高效产氢。通过简单的调整实验参数可实现ZnO/TiO2复合催化剂的晶体结构调控。如调整钛锌比可使该复合催化剂的晶体结构经历非晶、非晶/晶体复合到晶体的转变；调整pH值可成功控制非晶/晶体异质结构的非晶复合度，样品的非晶复合度会随着pH值的增加而增加；调节非晶复合度可以控制比表面积，样品的比表面积随着非晶复合度的增加而增加，当非晶复合度最强时，样品的比表面积可达到358 m2g-1，此时光解水制氢性能也是最高的。
　　（3）采用常温沉淀法在室温下制备了具有三维花状微球结构的ZnO；采用水热合成法在合成了具有柱状结构的ZnO。比较两种形貌ZnO的光解水制氢实验发现三维花状微球结构ZnO的光催化活性要优于柱状结构ZnO。并对不同形貌ZnO的形成机理和光催化机理进行了深入探讨。

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1 绪论

1.1 氢能

1.2 太阳能光解水的途径

1.3半导体光解水制氢技术简介

1.4 半导体光解水制氢研究进展

1.5 本论文的研究内容和意义

2 实验材料和表征方法

2.1 实验所用的实验试剂和仪器

2.2 材料表征方法

2.3 光解水制氢实验

3 特殊形貌磷酸钛的制备及光解水制氢研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3纤维状磷酸钛的表征及水解制氢性能研究

3.4片状磷酸钛的表征与水解制氢性能分析

3.5花状磷酸钛的表征与水解制氢性能分析

3.6 结果与讨论

3.7 本章小结

4 非晶/晶体异质结构ZnO/TiO2复合催化剂的制备及光解

4.1引言

4.2 实验部分

4.3 钛锌比对非晶/晶体复合结构的影响

4.4 钛锌比对非晶/晶体复合结构水解制氢性能的影响

4.5 pH值对非晶/晶体复合结构的影响

4.6 pH值对非晶/晶体复合结构水解制氢性能的影响

4.7 本章小结

5 特殊形貌ZnO的制备及其在光解水制氢中的应用

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 三维花状ZnO微球的表征及水解制氢性能研究

5.4 柱状ZnO的表征以及水解制氢性能研究

5.5 特殊形貌ZnO光催化机理分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 论文创新

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录 1 攻读博士学位期间发表的论文和专利

1. 发表的论文

2. 获得发明专利