光解水用改性金红石型TiO析氧催化剂的制备与光催化性能研究

摘要

针对“双床”光解水析氧过程中光生电子与空穴对分离效率低，导致光解水析氧速率偏低，难于与析氢速率匹配的现状，本研究采用半导体掺杂、半导体复合以及还原气氛处理等多种手段对金红石型TiO2进行了改性，得到了一系列改性TiO2析氧用光催化剂，研究了紫外光(或可见光)辐照下，改性TiO2的光解水析氧性能。首次制备了WO3复合铌掺杂TiO2析氧用光催化剂，并考察了WO3复合浓度对WO3-TiO2/Nb2O5光催化性能的影响；制备了WO3、V2O5和Fe2O3复合的金红石型TiO2光催化剂，首次考察了不同催化剂复合和同一催化剂不同复合浓度对金红石型TiO2催化剂光解水析氧性能的影响，探讨了光催化剂的光致发光性能与其析氧活性之间的关系；首次制备了含氧缺位的金红石型TiO2光催化剂，考察了氧缺位浓度对金红石型TiO2光催化剂析氧性能的影响，采用量子化学计算方法，研究了含氧缺位金红石型TiO2的能带结构；首次制备了含氧缺位的2％WO3-TiO2光催化剂，考察了氧缺位浓度对2％WO3-TiO2催化剂光解水析氧性能的影响。 主要研究结果如下： 1)WO3的复合能提高TiO2/Nb2O5的光催化活性，当WO3复合浓度为2％时，W03-TiO2/Nb2O5的光催化活性最高，达到152μmol·l-1·h-1，此时WO3在TiO2/Nb2O5表面刚好达到单层复合。另外，当WO3复合浓度为2％，Fe3+浓度为16·10-3mol·L-1，二次处理温度为873K时，WO3-TiO2/Nb2O5光催化剂光解水析氧速率约为191.7μmol·l-1·h-1。光能转化材料器件化简化了光催化反应装置，能适当延长TiO2光催化剂的使用寿命，简化实验装置，具有较为广阔的前景。 2)LRS表明WO3在TiO2表面的单层复合浓度为2％，当达到单层复合时，析氧速率最大，在紫外光辐照下2％wO3-TiO2催化剂光解水的析氧速率约为420μmol·L-1·h-1。根据其透射光谱，采用外推法求出WO3能隙约为2.78 eV。LRS表明V2O5在TiO2表面的单层复合浓度约为8％，8％V2O5-TiO2催化剂在紫外光辐照下分解水析氧速率约为110μmol·L-1·h-1，在可见光辐照下分解水的析氧速率约为80μmol·L-1·h-1。根据其透射光谱，采用外推法求出V2O5的能隙约为2.14eV，推导出金红石型TiO2能隙约为3.08eV。无论是在紫外光还还是在可见光照射下，Fe2O3-TiO2光催化剂都不能分解水析出氧气。光催化剂的FL测试结果显示：光催化剂的光致发光性能并非影响催化剂光催化活性的决定性因素。 3)在Ti3+含量极少，只有极少量羟基(OH)存在的情况下，适量的氧缺位能显著提高金红石型TiO2光解水的析氧活性，其最大析氧速率达222μmol·L-1·h-1。量子化学计算结果显示：氧缺位能降低半导体带隙能，在带隙中引入中间能级。 4)含氧缺位的2.0％WO3-TiO2光催化剂的最大析氧速率约为803μmol·L-1·h-1。基本与“双床”光解水析氢速率相匹配。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 文献综述

1.1半导体光催化剂用于光解水的原理

1.2光解水用半导体光催化剂的研究现状

1.3“双床”光解水分别析氢、析氧用光催化剂研究现状

1.4析氧用光催化剂研究现状

1.5提高TiO2催化剂光催化性能的方法

1.5.1离子掺杂

1.5.2半导体复合

1.5.3还原气氛处理

1.5.4表面光敏化

1.6本选题意义和主要研究内容

1.6.1选题意义

1.6.2主要研究内容

第2章 WO3复合铌掺杂TiO2析氧催化剂的制备和光催化性能研究

2.1.前言

2.2实验部分

2.2.1实验原理

2.2.2实验仪器

2.2.3实验试剂

2.2.4实验方法

2.3结果与讨论

2.3.1.光催化剂WO3-TiO2／Nb2O5的XRD分析结果

2.3.2光催化剂2％WO3-TiO2／Nb2O5的形貌

2.3.3 WO3-TiO2／Nb2O5和TiO2／Nb2O5的激光拉曼光谱分析

2.3.4 WO3-TiO2／Nb2O5紫外-可见光吸收性能

2.3.5 WO3-TiO2／NTb2O5光催化性能研究

2.4光能转化材料的器件化

2.5本章小结

第3章 复合型MexOy-TiO2光催化剂的制备和析氧性能研究

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1实验原理

3.2.2实验仪器

3.2.3实验试剂

3.2.4实验方法

3.3结果与讨论

3.3.1复合型WO3-TiO2光催化剂的表征及析氧性能

3.3.2复合型V2O5-TiO2光催化剂的表征及光解水析氧性能

3.3.3复合型Fe2O3-TiO2光催化剂析氧性能

3.3.4复合型V2O5-TiO2，复合型WO3-TiO2和复合型Fe2O3-TiO2光催化剂析氧性能比较

3.3.5.光催化剂的光致发光性能

3.4本章小结

第4章 氧缺位对TiO2光解水析氧性能的影响

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1实验原理

4.2.2实验仪器

4.2.3实验试剂及原材料

4.2.4实验方法

4.3结果与讨论

4.3.1含氧缺位的TiO2光催化剂的物相分析(XRD)、比表面(BET)和电子顺磁共振(EPR)分析

4.3.2含氧缺位的TiO2催化剂的光电子能谱分析(XPS)

4.3.3含氧缺位的TiO2光催化剂的紫外可见漫反射光谱分析(UV-Vis)

4.3.4含氧缺位的TiO2光催化剂的光催化性能

4.3.5放置时间对含氧缺位的TiO2光催化活性的影响

4.3.6含氧缺位的TiO2光催化剂的再生和再生光催化剂的光催化性能

4.3.7含氧缺位的金红石型TiO2的量子化学计算

4.4本章小结

第5章氧缺位对复合型WO3-TiO2催化剂光解水析氧性能的影响

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1实验仪器

5.2.2验试剂及原材料

5.2.3实验方法

5.3结果与讨论

5.3.1含氧缺位的复合型WO3-TiO2光催化剂的物相分析(XRD)、粒度分析和电子顺磁共振(EPR)分析，紫外-可见漫反射(UV-vis)分析

5.3.2含氧缺位的复合型2％WO3-TiO2光催化剂的粒度分析

5.3.3含氧缺位的复合型WO3-TiO2光催化剂的XPS分析

5.3.4含氧缺位的复合型WO3-TiO2光催化剂的光催化性能

5.4本章小结

第6章 总结

参考文献：

致谢

附录：攻读博士期间论文发表目录、科研工作及获奖情况