Z型TiO2/CaTi4O9/CaTiO3在光解水产氢(H2)与光催化还原Cr(VI)中的研究

摘要

光催化技术被誉为“人工光合作用”，能够实现太阳能与化学能的人工转换。因而是一种有效解决能源紧缺与环境污染问题的先进技术。但光催化的发展仍然面临着两大难题，一是量子效率低下，二是太阳光利用率低。为此，本论文以宽带隙的TiO2(3.2 eV)与CaTiO3(3.5 eV)作为研究点，通过构建Z型TiO2/CaTi4O9/CaTiO3异质结复合光催化剂，以充分利用TiO2与CaTiO3宽带隙的优势，同时通过构建“Z型”结构，提升光生电子和空穴的分离效率。并进一步研究了具有良好电子转移性能的还原氧化石墨烯(RGO)的表面修饰，以及Cu纳米粒子(NPs)的局域表面等离子效应(LSPR)对其光催化性能的影响。主要研究内容如下： 1.采用醇热法联合煅烧的手段构建了一种Z型电子转移机制的TiO2/CaTi4O9/CaTiO3复合光催化剂，该催化剂能有效提升载流子的寿命，且Z型电子转移机制相比传统异质结使得电子e-与空穴 h+具有更强的氧化还原能力，从而实现了高效光解水产H2(3.4-160-700-Ca/Ti,25.2814 mmol·h-1·g-1)与光催化Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，各达到了标准德国产光催化剂P25(TiO2)的1.6倍与3.1倍。 2.通过光还原法，将氧化石墨烯(GO)还原为还原石墨烯(RGO)对Z型TiO2/CaTi4O9/CaTiO3进行进一步表面修饰。发现RGO的引入有效改善了Z型TiO2/CaTi4O9/CaTiO3的在可见光区域的光吸收性能，并通过有效接触使得集中在CaTiO3导带的电子 e-及时转移，降低了其在催化剂表面或内部的复合机率，使得产H2性能(1.0 wt%RGO-Ca/Ti,34.7843 mmol·h-1·g-1)与催化Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)效率分别达到P25产H2性能与Cr(Ⅵ)还原效率的2.1倍与3.7倍。 3.同样采用了光还原法，将Cu2+还原为Cu纳米粒子(NPs)。在CuNPs的局域表面等离子效应(LSPR)效应影响下，TiO2/CaTi4O9/CaTiO3复合光催化剂在可见光区域的光响应能力进一步提升，同时促进了电子e-向Cu NPs转移，有效提升载流子的分离，从而实现了无贵金属产H2(0.25 wt%Cu-Ca/Ti,4.90074 mmol·h-1·g-1)达到无助剂存在的TiO2/CaTi4O9/CaTiO3(3.4-160-700-Ca/Ti)的67倍，同时对六价铬的还原性能2.00 wt%Cu-Ca/Ti达到1.0 wt%RGO-Ca/Ti的1.24倍。 以上研究表明，“Z型”结构的设计、还原氧化石墨烯的复合和非贵金属纳米粒子的沉积是提高光催化剂产H2和光催化还原重金属离子的有效手段，将大幅度提升光催化反应的量子效率。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 半导体光催化还原六价铬与半水解产氢机理

1.3光催化六价铬还原研究进展

1.4光催化分解水产氢的研究进展

1.5半导体光催化剂改性途径

1.6 课题选题意义及研究内容

第二章 实验材料与研究方法

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器

2.3 表征方法

2.4 溶液的配制

2.5 催化剂的制备

2.6 光催化活性测试

第三章 Z型TiO2/CaTi4O9/CaTiO3构建及其光催化还原Cr(VI)与光解水产氢性能研究

3.1 引言

3.2 结果讨论

3.3 小结

第四章 还原氧化石墨烯RGO修饰TiO2/CaTi4O9/CaTiO3及其光催化还原Cr(VI)与光解水产氢性能研究

4.1 引言

4.2 结果讨论

4.3 小结

第五章 Cu沉积TiO2/CaTi4O9/CaTiO3及其光催化还原Cr(VI)与光解水产氢性能研究

5.1 引言

5.2 结果讨论

5.3 小结

第六章 结论

6.1 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间研究成果