Bi2S3 QDs和碳量子点修饰{001}TiO2及其光催化还原CO2为甲醇的研究

摘要

光催化还原CO2作为近些年来的研究热点，在能源发展和环境保护方面都有着非常重要的应用：将空气中的CO2作为原料并光催化还原为甲醇，在降低“温室效应”的主要气体CO2含量的同时，将CO2和清洁、丰富的太阳能转化为有机化工品储存起来，既保护环境，又实现了能源的绿色可持续发展，具有非常大的经济和社会意义。因此本文合成了Bi2S3 QDs/TiO2和CQDs/Ag-TiO2这两种复合催化剂，通过对{001}TiO2进行修饰，在控制晶体生长的同时负载贵金属和量子点，来提高光生载流子的分离，从而提高复合催化剂的光催化活性。具体研究内容如下：
　　1）选取F离子作为唯一的表面封端剂，用于制备暴露高能结晶面{001}面的锐钛矿TiO2纳米片，当加入HF（40wt％）的体积为3mL的时候，制备得到大小为50～70nm之间的两端截断的双锥体纳米片，厚度大约为5nm。不同结晶面的光催化活性不同，反应中产生的一部分光生电子会转移到TiO2的{001}表面，并立即参与到还原反应中，另外一部分会转移到{101}表面，从而有效地防止光生电子和光生空穴在催化剂表面的再复合。在锐钛矿TiO2的{001}和{101}结晶面的协同作用下，促进了光生载流子的分离，提高了光催化还原反应。
　　2）采用溶剂热法成功制备Bi2S3 QDs/TiO2复合光催化剂，实验中选取异丙醇作为牺牲剂，在紫外灯照射下，CO2被有效还原为甲醇，异丙醇则被氧化为丙酮。利用在线红外监测体系中 CO2含量的变化，进一步证实了 CO2确实在光催化反应中被还原。甲醇产率随着Bi2S3 QDs负载量的增加而增加，在TiO2和Bi2S3的摩尔比为20的时候（即x=20），甲醇的产率达到最高，为1169.15μmol/g/h。较小的颗粒体积为光催化反应提供了充分的光吸收表面；Bi2S3 QDs的负载使得光生载流子能够在半导体和量子点之间顺利转移，从而保证光生载流子在催化剂表面的成功转移和分离，进而促进了光催化活性的提高。
　　3）以蔗糖作为原料，采用简单的水热法制备了 CQDs，并在{001}TiO2纳米片上同时负载 Ag和 CQDs，制备 CQDs/Ag-TiO2复合催化剂。光催化活性随着Ag和CQDs的负载而表现出明显的提高；CQDs的上荧光转换效应和金属Ag的电子阱以及等离子体共振效应对于复合催化剂吸收边的扩展和光生载流子的有效分离具有很大的作用。同时对比了不同比例{001}和{101}结晶面对光催化活性的影响，实验结果证明，当HF（40wt%）的加入体积为3mL的时候，即当a为3时候，产率达到最高，为699.5μmol/g/h，是纯{001}TiO2的3.8倍，从而进一步证明了TiO2{001}结晶面和{101}结晶面之间存在协同效应。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1研究背景

1.2光催化反应研究概述

1.3光催化还原二氧化碳

1.4光催剂的研究进展

1.5 二氧化钛的改性和设计

1.6选题依据和意义

第二章 TiO2形貌调控和暴露{001}表面的纳米片的制备

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4结论

第三章 Bi2S3量子点负载{001}TiO2光催化剂在异丙醇中还原CO2

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4总结

第四章 CQDs/Ag-TiO2复合催化剂在异丙醇中光催化还原CO2

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4总结

第五章 结论和展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢