可见光响应的钽基与钛基氧氮化物光催化剂的制备与研究

摘要

利用太阳能光催化分解水制氢是21世纪人类从根本上解决日益严峻的能源与环境问题较为理想的途径之一，已引起了各国研究者的高度关注。然而，目前所研究的光催化材料大都只能在紫外光下有光催化响应。由于N2P轨道能级比O2P轨道能级高，多数过渡金属氧化物氮化为氧氮化物后，在可见光区呈现较强的吸收能力，是一种潜在的具有可见光响应能力的光催化材料。近年来，开发和研制在可见光区具有高活性的过渡金属氧氮化物光催化剂越来越受到人们的关注。本论文以过渡金属氧化物粉体为原料，采用直接氨解法制备了具有高比表面积的窄能隙的氧氮化物半导体材料。 采用高温氮化技术，以微米级的五氧化二钽为原料，在800—900℃、氮化8h制备了钽的氧氮化物粉体。利用X射线衍射(XRD)、紫外—可见光吸收光谱(UV—vis)、氮吸附比表面积测试(BET)等方法对钽的氧氮化物进行了表征。研究了氮化温度对氧氮化物的可见光吸收能力和比表面积的影响。 以高温固相法制备的钛酸镧为原料，采用氨解法在800—900℃，氮化8—30h制备了钛酸镧的氧氮化物粉体，对不同氮化温度，氮化时间合成的粉体用X射线仪(XRD)、紫外—可见吸收光谱仪(UV—vis)、氮吸附比表面仪(BET)、元素分析仪(EA)进行了表征。研究结果表明：随着氮化温度的升高和保温时间的延长，钛酸镧的氧氮化物氮含量增加，粉体颜色加深，可见光吸收能力增强。 采用以sol—gel和化学共沉淀法所合成的钛酸镧为原料，采用氨解法在700—900℃，氮化8—12h制备了钛酸镧的氧氮化物粉体。对钛酸镧氧化物和钛酸镧的氧氮化物粉体用热重—差热分析(TG—DTA)，X射线(XRD)、紫外—可见吸收光谱(UV—vis)、氮吸附比表面仪(BET)，元素分析仪(EA)、透射电镜(TEM)进行了表征。对比由高温固相一直接氮化法与sol—gel-直接氮化法所制备的氧氮化物的性能可得出以下结论：共沉淀法可以制备出纯度高、组份均匀的、比表面积大、活性高的纳米La2O3/TiO2复合粉体，该复合粉体在900℃氮化8h可得到粒度为30nm，比表面积为27.5m2/g，吸收边界为590nm的纯单斜相的LaTiO2N。随着氮化温度的升高，氧氮化物的N/O比例增加，其吸收边红移程度增加，粉体吸收可见光能力增强，粉体颜色加深。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1前言

1.2半导体光催化反应研究现状

1.2.1氧化钛基半导体光催化剂

1.2.2半导体光催化氧化反应机理

1.3新型可见光响应光催化剂研究概况

1.3.1钙钛矿结构及类钙钛矿结构光催化剂

1.3.2氧氮化物光催化剂

1.4太阳光响应催化剂研究概况

1.5本论文的研究目的及意义

参考文献

第二章氧氮化物的高温固相法制备与性能研究

2.1前言

2.2可见光响应催化剂Ta3N5和TaON

2.2.1实验原料

2.2.2实验过程

2.2.3表征手段

2.2.4实验结果与分析

2.3可见光响应光催化剂LaTiO2N

2.3.1实验原料

2.3.2实验过程

2.3.3表征手段

2.3.4实验结果与分析

本章小结

参考文献

第三章氧氮化物的溶胶-凝胶法制备与性能研究

3.1前言

3.2 LaTiO2N粉体的制备

3.2.1实验原料

3.2.2实验过程

3.2.3表征手段

3.3实验结果与分析

3.3.1热失重-差热分析

3.3.2粉体的物相分析

3.3.3粉体的形貌观察

3.3.4粉体的紫外-可见吸收光谱分析

3.3.5粉体比表面及氮含量分析

本章小结

参考文献

第四章氧氮化物的共沉淀法制备与性能研究

4.1前言

4.2钛酸镧氧氮化物粉体的制备

4.2.1实验原料

4.2.2实验过程

4.2.3表征手段

4.3实验结果与分析

4.3.1热失重-差热分析

4.3.2粉体的物相分析

4.4.3粉体的TEM分析

4.3.4粉体的液氮吸附-脱附研究

4.3.5粉体的紫外-可见吸收光谱分析

4.3.6粉体比表面及氮含量分析

4.3.7 LaTiO2N纳米粉体的热稳定性分析

本章小结

参考文献

第五章全文结论

附录 攻读硕士期间所撰写的论文

致谢