铌酸盐类纳米晶材料的制备与表征

摘要

利用太阳能通过半导体光催化剂和水的光催化反应制取H2被认为是解决能源和环境问题的理想方法。作为新型光催化材料，铌酸盐类钙钛矿结构化合物具有催化剂所必备的稳定性和强金属-载体交互作用(SMSI，Strong Metal Support Interaction)。此外，还具有独特的促进剂和载体作用，在光催化产氢的过程中，表现出异常高的催化活性。 本文通过熔融KOH的作用，制备出高活性的Nb2O5·nH2O铌源，选用湿化学法在没有添加任何有机试剂和模板的情况下，通过K4NB6O17作为中间产物的模板化结晶过程制得了片状KNbO3粉体。在水热法的研究中，选用凝胶Nb2O5·nH2O和金属氯化物或硝酸盐混合作为前驱物，在合适的水热反应温度和反应时间条件下，调节矿化剂的浓度或者反应物前驱体的摩尔比来实现Sr2Nb2O7、Sr5Nb4O15和Ca2Nb2O7结晶相组成和微观形貌的控制生长。UV-Vis光吸收性能研究表明，所制备的纳米晶铌酸盐粉体具有良好的吸收，预计在紫外光的照射下将会具有较高的光催化活性。 (1)以制备出的高活性Nb2O5·nH2O为铌源，KNO3和K2CO3为钾源，采用泣化学的方法制备出了片状和颗粒状的KNbO3粉体。并利用X-射线衍射技术(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见吸收光谱仪(UV-Vis)等分析技术对制备样品的晶相组成、微观形貌和光吸收性能进行了表征，初步探讨了片状KNbO3的形成机理。结果表明，在使用KNO3为钾源时所制备的KNbO3纳米片和微米片是模板化结晶过程的产物，中间相K4Nb6O17的出现成为决定最终产物晶相和微观形貌的关键因素，所制备的片状样品在紫外区域具有很好的光吸收性能。 (2)在水热体系Sr2+Nb2O5·nH2O-KOH中，通过调节Nb5+/Sr2+的摩尔比制备出了Sr2Nb2O7纳米棒和Sr5Nb4O15纳米片，并利用XRD、TEM研究了Nb5+/Sr2+的摩尔比对于反应产物结晶相和微观形貌的影响。结果表明，在Nb5+/Sr2+的摩尔比为1:1的条件下可以制得长度为300-800nm，宽度为40-90nm的Sr2Nb2O7纳米棒；在Nb5+/Sr2+的摩尔比为1:4的条件下制得长度大约为400nm，宽度为200nm的不规则的Sr5Nb4O15纳米片。UV-Vis吸收光性能研究表明，所制备的Sr2Nb2O7纳米棒的带隙为3.97eV，大于一般的Sr2Nb2O7块体材料的3.90eV。 (3)系统研究了水热体系Sr2+-Nb2O5·nH2O-KOH中KOH的浓度对于反应产物结晶相和微观形貌的影响。结果表明，制得纯相Sr2Nb2O7粉体时KOH的浓度为0.3-5M，随着KOH浓度从0.3M增加到5M，Sr2Nb2O7微晶的微观形貌从纳米针转变为纳米棒，纳米片，最后转变成纳米粒子。而在此过程中，微观颗粒的长径比会逐渐的减小。Uv-Vis光吸收性能研究表明，除在最大吸收边上纳米片相对于纳米针有一点红移外，在光吸收性能上两者没有明显的区别。 (4)在水热体系Ca2+-Nb2O5·nH2O-KOH中，通过调节KOH的浓度制备出了直径大小在20-30nm的球状Ca2Nb2O7纳米粒子，系统研究了KOH的浓度对于反应产物结晶相和微观形貌的影响。研究表明，制得纯相的Ca2Nb2O7粉体时KOH浓度为0.1-3M。制备Ca2Nb2O7粉体最佳KOH的浓度为0.1M。此时粉体颗粒分散度好，无任何团聚。所制备的Ca2Nb2O7纳米晶粉体在紫外光下展示出良好的光吸收性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2半导体光催化剂的作用原理

1.3光催化材料的研究进展

1.3.1传统氧化物硫化物光催化剂的研究进展

1.3.2新型光催化剂的研究进展

1.4铌酸盐类催化剂的研究进展

1.4.1层状金属铌酸盐K4Nb6O17和Sr2Nb2O7光催化剂

1.4.2其它金属铌酸盐类光催化剂

1.4.3铌酸盐在催化方面的其它用途

1.5铌酸盐类光催化剂的制备

1.6纳米光催化材料的结构特点

1.7本文研究的主要内容及意义

参考文献

2铌酸钾粉体的湿化学法制备与表征

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂

2.2.2试验仪器

2.2.3实验过程

2.3实验结果与讨论

2.3.1 X射线衍射(XRD)晶相分析

2.3.2透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)微观结晶形貌特征分析

2.3.3UV-Vis吸光性能分析

2.3.4反应过程简析

2.4本章小结

参考文献

3铌酸锶纳米晶粉体的水热法制备与表征

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1实验试剂

3.2.2试验仪器

3.2.3实验过程

3.3实验结果与讨论

3.3.1 X射线衍射(XRD)晶相分析

3.3.2透射电镜(TEM)微观结晶形貌特征分析

3.3.3 UV-Vis吸光性能分析

3.3.4纳米晶的生长机理探讨

3.4本章小结

参考文献

4 Sr2Nb2O7纳米晶粉体的水热法形貌控制合成与表征

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1实验试剂

4.2.2试验仪器

4.2.3实验过程

4.3实验结果与讨论

4.3.1 X射线衍射(XRD)晶相分析

4.3.2透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)微观结晶形貌特征分析

4.3.3 UV-Vis吸光性能分析

4.4本章小结

参考文献

5 Ca2Nb2O7纳米晶粉体的水热法制备与表征

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1实验试剂

5.2.2试验仪器

5.2.3实验过程

5.3实验结果与讨论

5.3.1 X射线衍射(XRD)晶相分析

5.3.2透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)微观结晶形貌特征分析

5.3.3 UV-Vis吸光性能分析

5.4本章小结

参考文献

6结论

致谢

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