磷和钛修饰的氧化铁纳米材料光电催化分解水研究

摘要

能源危机与环境污染问题正在成为制约人类社会可持续发展的关键问题，开发利用清洁能源势在必行。在众多的清洁能源中，氢能是一种应用潜力巨大的能源，具有很高的燃烧热，而且氢气燃烧后的产物不会带来任何环境污染的问题，因此氢能是替代传统化石能源的理想能源之一。然而，目前氢气的大规模获取主要来自于煤、石油与天然气的重整，这种制氢方式虽然工艺成熟但成本高昂、污染环境，因而寻求绿色、经济、环保的制氢方法势在必行。与此同时，因为具有清洁无污染、分布广泛和取之不尽用之不竭的优点，太阳能越来越受到人们的重视并开始在现有的能源结构中扮演重要的角色。因此，基于半导体材料的光电催化分解水技术将成为未来人类大规模获取氢气的最佳途径之一。
　　在众多半导体光催化材料中，氧化铁(α-Fe2O3)具有廉价、无毒、稳定性好和在地球上储量丰富等特点，这使其成为一种非常有前景的光催化材料。理论预测表明α-Fe2O3的光电转换效率高达16.8％，在1.23V vs. RHE时具有高达12.6mA/cm2的光电流密度。但在实际研究当中，由于α-Fe2O3自身的导电性很差、光生载流子的寿命短(10-12s)、光生空穴传输距离短(2-4nm)且光生电子-空穴对极易复合、表面产氧动力学反应慢等原因，使得α-Fe2O3的实际光电流密度远远低于其理论值。因此，若要使α-Fe2O3具有实用价值，我们必须要对其进行修饰和改性。
　　本论文以α-Fe2O3光电极为研究对象，主要探讨了FePO4和Fe2TiO5对氧化铁光电催化性能的影响，而且我们利用X射线光电子能谱(XPS)及同步辐射X射线吸收谱(XAS)等表征技术对其机理进行了研究，具体研究工作如下：
　　(1)在第二章中，我们制备了氧空位修饰以及表面P掺杂的氧化铁光电极，进一步地在其表面修饰FeNiOx助催化剂之后，在1.23V vs. RHE时其光电流密度达到2.67mA/cm2，特别是在1.0V vs. RHE时其光电流密度达到2.0mA/cm2。我们利用XPS以及同步辐射XAS对样品的表面进行了探测，XPS结果显示在氧化铁的表面存在明显的Fe2+信号，证明氧空位的存在，而同步辐射XAS则清楚地揭示了P在氧化铁的表面是以FePO4的形式存在。
　　(2)在第三章中，我们用简单的两步水热法制备了Ti和P共修饰的氧化铁光电极。透射电子显微镜(TEM)和同步辐射XAS清楚地揭示了Ti以Fe2TiO5的形式分布于整个氧化铁的体相，而P则以FePO4的形式主要分布在氧化铁的表面，并且这种共修饰导致水热生长的氧化铁形成了空心结构。Ti和P共修饰的氧化铁表现出很高的光解水效率，在1.23V vs.RHE时其光电流密度达到2.37mA/cm2，是纯氧化铁样品光电流密度(0.85mA/cm2)的2.5倍，也比单纯Ti修饰或者P修饰氧化铁的光电流密度高。进一步地，在Ti和P共修饰氧化铁的表面沉积Co-Pi助催化剂之后，其光电流密度可以达到2.90mA/cm2。
　　(3)在第四章中，我们利用水热法制备了Zr和B修饰的氧化铁。通过对比实验我们得到：Zr修饰与B修饰对氧化铁的光电催化性能的提高没有协同效应，当在水热反应的前驱体溶液中加入的H3BO3过量时会降低Zr修饰氧化铁的光电催化性能。此外，我们也通过以H2O2作为空穴吸收剂，研究了表面F处理对Fe2TiO5修饰氧化铁光电极电荷分离效率的影响。通过实验我们发现表面F处理对Fe2TiO5/Fe2O3光电极的体相电荷分离效率基本没有影响，但是可以明显地提高Fe2TiO5/Fe2O3光电极的表面电荷分离效率，从而提高其光电流密度。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2α-Fe2O3半导体材料光电催化分解水的基本原理

1.3α-Fe2O3半导体材料概述

1.4提高α-Fe2O3光电催化性能的方法

1.5 本论文研究的目的、意义和内容

参考文献

第二章 氧空位及表面P修饰的氧化铁纳米材料

2.1引言

2.2实验试剂和仪器

2.3样品制备与表征

2.4结果分析与讨论

2.5本章小结

参考文献

第三章 Fe2TiO5和FePO4共修饰的氧化铁纳米材料

3.1引言

3.2实验试剂和仪器

3.3样品制备与表征

3.4实验结果与讨论

3.5本章小结

参考文献

第四章 锆、硼修饰的氧化铁纳米材料

4.1引言

4.2锆、硼对氧化铁光电催化性能的影响

4.3利用过氧化氢研究氧化铁的电荷分离效率

4.4本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢