复合TiO2纳米管催化剂的制备及其可见光分解水制氢的特性

摘要

利用专业的连续式微波反应器,本文研究了TiO2纳米管的微波制备工艺和最佳条件。以此微波法为基础,合成了不同配比的CdS掺杂的复合TiO2纳米管(记作CdS-TiO2NT)和Fe掺杂的复合TiO2纳米管催化剂(记作Fe-TiO2NT),评价了催化剂的活性。通过现代测试技术(UV-Vis, TEM,XRD和XPS)等手段,对催化剂的结构进行了表征,并研究了催化剂活性与其内在结构性质之间可能存在的相互关系。用连续式微波反应器成功合成了锐钛矿型的TiO2纳米管。TEM结果表明,在300W,120min的条件下,TiO2纳米管的管型最为完好,管子内径大概5~10nm,长度约150~200nm。基于微波法,合成了CdS-TiO2NT催化剂。通过紫外漫反射光谱分析,吸收边大约在520nm,小于纯CdS粉末,却明显大于纯TiO2纳米管(记作TiO2NT)以及纯CdS粉末和纯TiO2纳米管物理混合得到的材料(记作CdS+TiO2NT)。可见光分解水制氢的活性评价结果显示,CdS-TiO2NT在可见光下的分解水制氢速率大于纯CdS、纯TiO2NT和CdS+TiO2NT催化剂。通过对微波加热法合成的四种不同CdS和TiO2NT配比的CdS-TiO2NT的光催化制氢速率的对比发现,1.96CdS-TiO2NT催化剂(CdS占催化剂总质量的1.96%,wt%)的制氢速率最高,为12.90μmol/(h·g)。综合XRD和XPS的结果分析,有可能是在微波的作用下,CdS与TiO2形成了某种化合物或是CdS与TiO2相互作用,使得其催化活性增强。用共沉淀法制备了不同含量Fe掺杂的TiO2纳米颗粒(Fe-TiO2NP)。利用此纳米颗粒,用微波法合成了相应的Fe掺杂的TiO2纳米管催化剂(Fe-TiO2NT)。UV-Vis图谱表明,相比于纯TiO2纳米管,Fe-TiO2NT向可见光区红移,而且红移量随着掺铁比例增加而递增。但异常的是2%Fe-TiO2NT(Fe原子和Ti原子的摩尔比为2：100,下同)的红移量比其他催化剂红移量都要大。从XRD的结果分析,2%Fe-TiO2NT催化剂的晶型最为完好,为纯金红石型。而其他比例的Fe-TiO2NT催化剂的晶型都是锐钛型的二氧化钛和钛酸钠盐的混晶。光催化制氢实验表明,在可见光照射下,Fe-TiO2NT催化剂都没有产氢活性。而在全波段照射条件下,Fe-TiO2NT催化剂都有活性,并且催化活性随着掺铁量的增大而提升。但是与纯TiO2纳米管相比,它们的催化活性有所降低。通过XPS的结果分析认为,Fe3+部分取代了TiO2晶格内的的Ti4+,成为了光生电子和空穴复合的中心,降低了电子和空穴的寿命,也减小了光生电子被传递至催化剂表面进行反应的几率。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 光催化分解水制氢机理

1.2.1 基本原理

1.2.2 光解水制氢催化剂

1.3 光催化材料的研究现状

1.4 二氧化钛纳米管的制备、形成机理及改性

1.4.1 钛纳米管的制备方法

1.4.2 二氧化钛纳米管的形成机理

1.4.3 二氧化钛纳米管的改性

1.4.4 二氧化钛纳米管的应用

1.5 本文的研究目的和内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

第二章 实验部分

2.1 主要试剂和仪器

2.2 TiO_2 纳米管及其光催化剂制备

2.2.1 共沉淀法制备锐钛型TiO_2 纳米颗粒

2.2.2 微波法制备锐钛型TiO_2 纳米管

2.2.3 CdS 掺杂的TiO_2NT 复合半导体光催化剂的制备

2.2.4 Fe 掺杂的TiO_2NT 光催化剂的制备

2.3 光催化剂制氢活性评价

2.4 催化剂的表征

第三章 微波法制备TiO_2纳米管最佳条件探索

3.1 反应时间的影响

3.2 反应功率的影响

3.3 水洗酸洗对管的影响

第四章 TiO_2纳米管光催化剂的制备、表征及其光解水制氢研究

4.1 CdS-TiO_2NT 复合半导体催化剂

4.1.1 微波法制备CdS-TiO_2 纳米管光催化剂

4.1.2 催化剂的紫外可见吸收光谱分析

4.1.3 催化剂在可见光下催化分解水制氢活性评价

4.1.4 TEM 图像

4.1.5 XRD 分析

4.1.6 XPS 谱图

4.1.7 不同方法制备的复合半导体催化剂的性能比较

4.2 Fe 掺杂的TiO_2 纳米管光催化剂

4.2.1 影响掺杂离子光催化性能的因素

4.2.2 TG-DTA 分析

4.2.3 紫外-可见光光谱分析

4.2.4 Fe 掺杂TiO_2 纳米管光催化剂产氢活性评价

4.2.5 XRD 分析

4.2.6 TEM 分析

4.2.7 XPS 分析

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

硕士期间已发表(提交)文章

上海交通大学硕士学位论文答辩决议书