铌氧化物半导体纳米材料的制备及光催化性能研究

摘要

随着环境污染和能源紧缺问题的日益加剧，人类社会的可持续发展备受关注。如何合理利用光催化技术无疑是解决这一问题的理想途径之一。光催化因其低能耗、无二次污染、反应快等诸多优点已在有机合成、降解有机污染物等能源及环境领域有着广阔的应用前景。而光催化剂又是光催化技术能够高效利用的最核心因素。在众多光催化材料中，氧化铌基化合物因其独特的物理
　　化学性质已引起了众多研究者的关注。本论文针对氧化铌光催化材料的研究进展，从相组成和晶体结构入手，采用水热法合成了两种不同组成的氧化铌基半导体材料，并将其应用到了可见光降解染料废水(RhB)和芳香醇的选择性光催化氧化反应中，论文得到的主要研究结果如下:
　　(1)以可溶性铌酸钾为铌源，一步水热法制备出Nb2O5·nH2O/Nb2O5复合材料。研究了在冰醋酸体系下的不同水热温度对氧化铌复合物的相组成、结构及比表面积的影响。结果表明:冰醋酸用量并未明显改变复合材料的组成，而水热反应温度则是有效调变Nb2O5·nH2O和Nb2O5在复合材料中两相组成的重要因素。与其它水热温度下制备的氧化铌材料相比，在反应温度为100℃时得到的Nb2O5/Nb2O5·nH2O，其比表面积为293 m2/g，粒径大小在20-40 nm之间，同时在可见光下显示出了最佳的RhB降解活性。进一步的实验结果表明其可见光下降解RhB的反应可能是一个光敏化过程，·O2-是光敏化反应重要的氧化物质;同时研究了在可见光下光催化有氧氧化不同芳香醇的反应。结果表明，该催化剂对不同芳香醇选择性氧化制芳香醛反应表现出了较佳的光催化活性，同时具有几乎100％的选择性。
　　(2)以氢氧化铌为铌源，柠檬酸为螯合剂，一步水热法制备了Nb2O5/Nb3O7(OH)复合材料，研究了不同反应温度对复合材料的相组成、微结构、比表面积的影响。结果表明:水热反应温度对Nb2O5与Nb3O7(OH)两相的组成和结构能够产生较大影响。其中水热反应温度为210℃时制备的Nb3O7(OH)/Nb2O5复合物的比表面积可达到241 m2/g，粒径大小在20-150 nm之间，并表现出了最佳的可见光降解RhB性能。实验研究结果也同样表明:该催化剂对不同芳香醇选择性氧化制芳香醛反应表现出了较好的光催化氧化性能，并且反应温度为210℃时制备的样品对光催化氧化苯甲醇制苯甲醛其转化率为21％，选择性接近100％;尤其对甲氧基苯甲醇的转化率为最高。本论文工作拓展了氧化铌基化合物的组成及其在可见光照射下降解染料RhB和选择性光催化氧化芳香醇制芳香醛的应用范围，发展了制备不同相组成的复合半导体氧化铌光功能材料的制备新途径，丰富了氧化铌复合光催化剂的光催化氧化历程。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 光催化原理

1．3 光催化剂性能的影响因素

1．3．1 晶粒尺寸

1．3．2 比表面积

1．3．3 晶型和晶面

1．3．4 半导体复合

1．4 光催化氧化技术的应用及现状

1．4．1 光催化降解有机污染物

1．4．2 光催化有机合成

1．4．3 光催化氧化技术在其他领域的应用

1．5 铌氧化物在光催化技术的应用进展

1．6 论文的选题依据和研究内容

1．6．1 选题依据

1．6．2 论文研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验试剂和仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 催化剂的物性表征

2．2．1 傅里叶变换红外光谱(FTIR)

2．2．2 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)

2．2．3 拉曼光谱(Raman)

2．2．4 X-射线粉末衍射(XRD)

2．2．5 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．6 透射电子显微镜(TEM)

2．2．7 低温N2吸附-脱附(N2 adsorption-desorption)

2．2．8 电子顺磁共振(EPR)

2．3 活性测试

2．3．1 光催化降解RhB

2．3．2 光催化降解水杨酸

2．3．3 苯甲醇的光催化选择性氧化制苯甲醛

第三章 Nb2O5／Nb2O5·nH2O复合物的制备及其光催化性能

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 材料的制备

3．2．2 光催化活性测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 物相分析

3．3．2 形貌和微结构表征

3．3．3 铌氧化物在光降解RhB中的应用

3．3．4 铌氧化物在光催化选择性氧化芳香醇中的应用

3．4 本章小结

第四章 Nb3O7(OH)／Nb2O5复合物的制备及其光催化性能

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 材料制备

4．2．2 光催化活性测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 物相分析

4．3．2 形貌和微结构表征

4．3．3 铌氧化物在光降解RhB中的应用

4．3．4 铌氧化物在光催化选择性氧化芳香醇中的应用

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简介

硕士期间发表的论文