TiO2和ZnO基一维纳米材料光催化甘油水溶液制氢性能研究

摘要

本文采用溶胶-凝胶法制备了P，Bi掺杂的TiO2纳米颗粒，以此为前驱体通过水热法制备了相应的纳米管。采用低温水浴法制备了ZnO纳米棒，以此为前驱体通过表面化学改性法制备了不同S/O比、不同壳层厚度的ZnO/ZnS核壳纳米棒。采用SEM，TEM，N2吸附-脱附，XRD，Raman，UV-Vis等方法对纳米材料表面形貌、组成、结构、光吸收性能进行了表征，考察了纳米材料在紫外光和模拟太阳光下光催化分解甘油水溶液制氢反应活性，并探讨了光催化剂的能带结构和光催化水分解制氢的反应机理。
　　研究结果表明：P，Bi掺杂后的TiO2为具有介孔结构的纳米颗粒，仍保持了锐钛矿晶型，但其晶粒变小，比表面积增大；P，Bi掺杂将在TiO2禁带内引入杂质能级，降低了禁带能量，增加光生电子和空穴的分离性能，有利于提高TiO2的吸光性能，使其吸光域扩展至可见光区；P，Bi掺杂的TiO2纳米颗粒显示出远高于纯TiO2的光催化甘油水溶液制氢性能，而改性TiO2纳米材料的形貌对制氢产率也有很大影响，纳米管由于具有更大的比表面积，特殊的管道结构，增加了光生载流子的迁移速度和分离效率，其制氢产率要明显高于纳米颗粒；对于P掺杂的TiO2纳米材料体系，2％P掺杂的TiO2纳米管具有最高的光催化反应性能，在模拟太阳光照射下最大产氢速率为316μmol/h·g；在Bi掺杂的TiO2纳米材料体系中，2%Bi掺杂的TiO2纳米管具有最高的光催化反应性能，在模拟太阳光照射下最大产氢速率可达524μmol/h·g；P和Bi的掺杂量过高时，磷氧化物或铋氧化物将在表面聚集，成为光生电子和空穴的复合中心，降低纳米材料的光吸收性能和光催化反应性能。
　　ZnO/ZnS核壳纳米棒是由直径为100nm、长度为几百纳米至几微米的ZnO核以及由沉积了约12nm的ZnS壳层组成；核壳结构的形成明显的增加了ZnO纳米棒的比表面积和孔容，增强了化学吸附水的能力；ZnO核与ZnS壳层之间形成了n-p异质结，提高了纳米棒材料的可见光区光吸收性能；ZnS壳层的存在明显改善了ZnO纳米棒的光催化制氢性能，ZnS壳层厚度对光催化性能有很大影响，ZnO/ZnS-0.6的纳米棒材料具有最佳的光催化制氢活性，在紫外光照射下最大产氢速率可达2608.7μmol/h·g，可见光照射下最大产氢速率可达388.4μmol/h·g。

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第一章 文献综述

1.1 研究背景及意义

1.2 光催化分解水制氢涉及的基本问题

1.3 纳米材料和纳米结构概述

1.4 TiO2纳米管的研究现状

1.5 ZnO纳米材料的研究现状

1.6 本论文的研究目的、研究内容和创新点

第二章 实验方法

2.1 纳米TiO2和ZnO系列催化剂的制备方法

2.2 纳米催化剂的表征方法

2.3 纳米催化剂的光催化性能评价

第三章 改性TiO2纳米材料制备与光催化性能

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.5 小结

第四章 ZnO/ZnS核壳纳米棒的制备和光催化性能

4.1 引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4 小结

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢