仿生形貌碳化物材料的合成与光催化制氢性能研究

摘要

利用太阳能将水分解成清洁无污染、可再生的氢气，是解决日益严重的环境污染和能源短缺问题的主要途径之一。实现这一绿色目标的根本手段是光催化技术，而半导体光催化剂则是光催化技术的关键与核心，碳、碳化硅及金属碳化物等含碳材料在半导体领域有着极大的应用潜力。
　　本论文以此为研究对象，在对上述碳化物材料的制备、应用等方面的发展现状进行了充分调研的基础上，遵循自下而上的生物模板合成机理，探索了简单易行、无毒环保且经济高效的仿生材料合成策略。
　　把桂花树叶进行处理后，以它的叶脉作为模板，后分别浸渍正硅酸四乙酯、钨酸的氨溶液、氯化铁溶液，经过滤烘干后，放置于通高纯氮气的管式炉中煅烧至不同温度制备了仿生碳化硅、碳化钨和碳化铁材料。用X射线衍射仪(XRD)、氮气脱吸附仪(BET)、扫描电子显微镜(SEM)对所得产物的结构进行表征，用电化学工作站、振动磁强计对它们的性能进行测试，并将材料用于可见光制氢催化。
　　实验表明碳化物材料能完整的复制桂花叶脉结构，合成的碳化钨、碳化硅和碳化铁呈棒状结构，直径约为100um，比表面积较大，分别为72.3m2/g、84.7m2/g和94.65m2/g，煅烧温度对产物的合成具有关键影响，温度偏低时存在氧化物杂质，而当温度升高时，金属碳化物材料将被还原为金属单质，且三种材料皆发生团聚现象，使颗粒增大。而纯碳化物合成温度中，碳化铁的温度最低，碳化硅的温度最高，这是由于在碳化物合成的过程中加入可起到催化作用的金属离子，将碳化物的合成温度大大降低。
　　利用光生电流曲线以及对罗丹明B染料降解指针反应表征仿生形貌碳化物材料的光催化能力，碳化铁的光生电流能力最大，碳化钨最弱，而在染料光催化降解反应中，碳化铁的降解效率最高，280min后降解率达到98％，这是因为碳化物构成的不同，碳化铁的禁带间隙最低为2.0 eV，可以吸收最多的可见光能，而碳化钨的禁带间隙最高为3.22 eV，吸收光能最少;在光催化制氢反应中，碳化铁的光催化性能最高，光照420 min后产氢量达到105μmol/g，这与光生电流及染料光催化降解反应的结果相吻合。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 光催化反应

1．3 碳化物半导体材料

1．3．1 碳化硅结构

1．3．2 碳化钨材料

1．3．3 碳化铁

1．4 碳化物的制备方法

1．4．1 还原渗碳法

1．4．2 化学气相沉积法

1．4．3 溶胶-凝胶法

1．4．4 模板法

1．5 生物模板

1．6 本论文的选题依据和主要研究内容

第二章 碳化硅的高温合成及表征

2．1 引言

2．2 实验过程

2．2．1 实验步骤

2．2．2 样品的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 前驱体的热解过程

2．3．2 X-射线衍射

2．3．3 氮气吸-脱附测试

2．3．4 扫描电子显微镜照片

2．4 本章小结

第三章 碳化钨的中温合成及表征

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 实验步骤

3．2．2 样品的表征

3．3 结果与分析

3．3．1 X-射线衍射

3．3．2 氮气吸-脱附测试

3．3．3 扫描电子显微镜

3．4 本章小结

第四章 碳化铁的低温合成及表征

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 实验步骤

4．2．2 样品的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 确定最佳煅烧温度

4．3．2 X-射线衍射

4．3．3 产物讨论

4．3．5 氮气吸-脱附测试

4．3．6 碳化铁的磁性能研究

4．4 本章总结

第五章 碳化物的光催化制氢性能研究

5．1 引言

5．2 光催化材料

5．3 光催化性能研究

5．3．1 紫外-可见吸收光谱分析

5．3．2 光生电流测试及结果

5．3．3 染料脱色指针反应

5．3．4 光解水制氢

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文