金属纳米颗粒修饰TiO2纳米棒及其光催化还原CO2的应用研究

摘要

随着工业变革的兴起和飞速发展，能源消耗导致的环境污染问题和资源短缺问题日益突出。近几十年来，各国研究学者一直致力于环境友好清洁能源的研究。自1839年，第一次发现光生伏特效应以来，太阳能逐渐成为研究热点。目前，美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，而如何提高太阳能的利用率是目前研究学者们一直追求的目标。
　　于此同时，石油等燃料的消耗导致二氧化碳的排放急剧增多，从而导致了温室效应，对地球的气候和人类的生存环境产生了巨大的影响。降解或者转化污染物为有效能源成为研究的重点话题之一。其中，二氧化碳还原方面的研究也受到广泛关注。目前，二氧化碳还原主要是利用太阳光在催化剂的作用下将二氧化碳和水转换为有用的烃类燃料。在现有的半导体光催化材料中，二氧化钛具有无毒、廉价和稳定性的特点，而被认为最具潜力的光催化材料之一，因而得到广泛的研究。
　　虽然二氧化钛光催化性能早在1972年被Fujishima和Honda发现，并且在这近四十年来，科学家们也对提高二氧化钛光催化性能和反应机理做了诸多研究，但是目前根据目前较低的光催化转化效率，二氧化钛依然不能被广泛运用。
　　本论文主要根据二氧化钛光催化理论，采用水热法合成二氧化钛纳米棒，然后用不同的电化学沉积法在其表面沉积金属颗粒，并说明了其光催化还原二氧化碳的转换率与还原机理。主要内容如下:
　　1、采用水热法制备大小一致、分布均匀、晶型单一的锐钛矿型二氧化钛纳米棒，研究反应时间、反应温度和原料配比对二氧化钛形貌和结构的影响。当反应时间在23h，反应温度在120℃，钛酸四丁酯与盐酸体积比为1∶30时能够在FTO上生长出较为理想的二氧化钛纳米棒。
　　2、本文对比了负载高压时和无负载时纯TiO2光催化还原二氧化钛的转换率发现，负载高压能够大幅度提高光催化还原CO2为CH4的产率。在25KV到45KV范围内，随着外加电场的升高，光催化还原CO2为CH4的产率也随之增加。
　　3、分别用电化学法在二氧化钛纳米棒上分别沉积Cu和Ag纳米颗粒，所得到的催化剂进行光催化还原二氧化碳测试。利用XRD、XPS、SEM、TEM等测试手段对复合二氧化钛进行分析。结果表明，沉积条件和方法不同，金属纳米颗粒在催化剂中的分布及形貌不同，对光催化还原二氧化碳性能有不同的影响，并且有金属颗粒修饰的二氧化钛纳米棒明显比纯的二氧化钛纳米棒样品的转换率高。通过荧光分光光度测试发现，电化学沉积的纳米颗粒在纳米棒薄膜上具有微弱的金属纳米结构中电子的集体振荡效应。这种效应也被称为局域表面等离子体(LSP)。相比于铜颗粒，这种效应在银颗粒中表现的更为明显。
　　4、本文也介绍了用电化学沉积法在ITO上制备Ag纳米颗粒，通过调整形核电压和前驱体溶液浓度来改变Ag纳米颗粒的形貌、大小和分布，以及其对局域等离子体效应的影响。同时介绍了电化学沉积法的优势:所需沉积温度低，可在常温下进行，衬底与颗粒之间的结合力较好;可通过控制沉积电位、时间和溶液组合等试验参数来达到控制颗粒大小、密度和形貌的目的;可进行大面积制样;设备廉价、工艺简单、操作方便、重复性好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 TiO2光催化反应概述

1．2．1 TiO2光催化反应原理

1．2．2 TiO2光催化技术的研究及应用

1．3 CO2还原的利用现状及研究进展

1．3．1 CO2的结构和性质

1．3．2 CO2利用现状

1．3．3 TiO2光催化还原CO2技术的研究

1．4 光催化TiO2改性方法

1．4．1 水热合成法

1．4．2 液相沉淀法

1．4．3 微乳液法

1．4．4 浸渍法

1．4．5 溶胶-凝胶法

1．4．6 电化学法

1．5 课题研究意义及内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究内容

第二章 TiO2纳米棒薄膜的制备研究

2．1 实验试剂和仪器

2．1．1 实验试剂和规格

2．1．2 实验仪器及型号

2．2 实验方法

2．2．1 TiO2光催化还原CO2

2．2．2 分析测试

2．2．3 产物分析

2．3 TiO2纳米棒薄膜的表征与性能研究

2．3．1 水热法制备TiO2薄膜

2．3．2 反应时间对水热反应产物的影响

2．3．3 反应温度对水热反应产物的影响

2．3．4 反应原料配比对水热反应产物的影响

2．4 TiO2光催化还原CO2

2．4．1 在紫外光照射的条件下，TiO2纳米棒催化还原CO2

2．4．2 在紫外光照射的条件下，纯TiO2加高压催化还原CO2

2．5 本章小结

第三章 Cu纳米颗粒修饰TiO2纳米棒薄膜及其光催化还原CO2的研究

4．1 Cu颗粒修饰TiO2纳米棒薄膜的制备

3．1．1 实验药品及仪器

3．1．2 制备方法

3．1．3 测试设备与表征

3．2 Cu颗粒修饰TiO2纳米棒薄膜的表征和性能研究

3．2．1 Cu颗粒修饰TiO2纳米棒薄膜的形貌和结构表征

3．2．2 Cu颗粒修饰TiO2纳米棒薄膜的光学性能表征和光催化还原CO2测试

3．3 本章小结

第四章 电化学沉积Ag纳米颗粒及其定义域表面等离子体增强效应的研究

4．1 实验原料与设备

4．1．1 实验原料

4．1．2 实验设备

4．2 实验方案与过程

4．2．1 实验方案

4．2．2 实验过程

4．3 测试设备与表征

4．4 双电位阶跃法电化学沉积Ag纳米颗粒的研究

4．4．1 形核电位对Ag纳米颗粒形貌的影响

4．4．2 前驱体浓度对Ag纳米颗粒形貌的影响

4．5 Ag纳米颗粒定域表面等离子体增强效应

4．5．1 形核电位对Ag纳米颗粒SERS性能的影响

4．5．2 前驱体浓度对Ag纳米颗粒SERS性能的影响

4．6 本章小结

第五章 Ag纳米颗粒修饰TiO2纳米棒薄膜及其光催化还原CO2的研究

5．1 Ag纳米颗粒修饰TiO2纳米棒薄膜的制备

5．1．1 实验药品和仪器

5．1．2 制备方法

5．1．3 测试设备与表征

5．2 Ag颗粒修饰TiO2纳米棒薄膜的表征和性能测试

5．2．1 Ag颗粒修饰TiO2纳米棒薄膜的形貌和结构表征

5．2．2 Ag纳米颗粒修饰TiO2钠米棒薄膜的光学性能和光催化还原CO2的性能测试

5．3 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间发表的学术论文与取得的其他研究成果