氧空穴掺杂的纳米氧化铁光解水的研究

摘要

理论预测曾表明纳米氧化铁(α-Fe2O3)具有高达16.8％的光解水效率,对应的光生电流密度也可高达12.6 mA·cm-2,同时,与TiO2、ZnO和WO3等半导体光催化剂相比,纳米α-Fe2O3还具有禁带宽度适宜(2.1-2.2 eV)、水环境中性质稳定、地球上储量丰富和价格低廉等优势,而这些优点使其成为目前光解水研究的热点材料之一。但是在实际的应用过程中,导电性差、激发态载流子寿命短(10-12 s)和空穴平均自由程短(约2-4 nm)等缺点的存在使纳米α-Fe2O3的光解水性能远低于理论的预测值。为了提高纳米α-Fe2O3的光解水性能,掺杂、形貌控制和表面处理等方式是人们常用的方法。
　　本研究通过系统地控制纳米α-Fe2O3样品在退火过程中的氧分压,有效的实现了样品中氧空穴-自掺杂含量的调控,增强了其导电性,提高了其光解水性能。在随后的研究中,我们对Ti-掺杂的纳米α-Fe2O3样品进行了相同的退火处理,从而实现了氧空穴和Ti的协同掺杂效应并进一步提高了纳米α-Fe2O3的光解水性能,使其在1.23 V vs.RHE处的光生电流密度达到了2.25 mA·cm-2,在1.6 V vs. RHE处的光生电流密度高达4.56 mA·cm-2。而且,与未掺杂样品调控氧空穴时所需的苛刻条件相比,Ti-掺杂降低了实验条件的需求,因此方便和易于氧空穴的引入,这一发现使得氧空穴-自掺杂对α-Fe2O3样品的改性在实际应用中得以更广泛地应用。与其他制备方法相比,水热法制备纳米材料具有方法简单,对设备和原料要求不高,成本相对较低,实际应用中可操作性强的特点,因此利用水热法制备纳米α-Fe2O3更加简单易行。对水热法制备纳米α-Fe2O3的生长条件进行了优化,通过调控先驱溶液中HCl的浓度,制备了纳米棒状形貌、性能明显改善的纳米α-Fe2O3样品。虽然这一探究并未大幅提高未掺杂α-Fe2O3样品的光解水性能,但是我们认为积极探究并严格调控水热合成的基础条件,对合成性能优良、性质稳定的α-Fe2O3光催化材料,及深入理解水热合成机理都具有非常积极的意义。利用Co-Pi体系对Ti-掺杂纳米α-Fe2O3样品进行了改性处理;此外,我们还将水热合成铁源变为FeNO3·9H2O,并通过缺氧退火处理制备了含有氧空穴的纳米α-Fe2O3样品,虽未对氧空穴的含量进行优化,但是样品已具有较好的光催化性能。由此证明原有文献报道中铁源为FeNO3·9H2O时不能引入氧空穴的结论是有不成立的。

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第一章 绪 论

1.1 光电化学分解水制氢体系的研究背景

1.2 光解水制氢体系的反应原理及条件

1.3 光解水制氢体系的研究进展

1.4 半导体材料α-Fe2O3催化光解水制氢的研究

1.5 本论文的主要结构

参考文献

第二章 氧空穴-自掺杂和Ti-掺杂协同效应对α-Fe2O3光解水性能的影响

2.1 引言

2.2 实验试剂与设备

2.3样品的制备

2.4. 样品的表征

2.5 结果分析与讨论

2.6本章小结

参考文献

第三章 先驱溶液中HCl的浓度对α-Fe2O3光解水性能的影响

3.1 引言

3.2探究本实验的理论依据

3.3实验试剂与实验设备

3.4样品的制备

3.5样品的表征

3.6 结果分析与讨论

3.7 本章小结

参考文献

第四章 其他方法制备α-Fe2O3材料的研究

4.1 引言

4.2实验试剂与实验设备

4.3 Co-Pi体系对α-Fe2O3的改性

4.4 FeNO3 ·9H2O作铁源制备α-Fe2O3

4.5 本章小结

参考文献

第五章 总结和展望

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢