Mo掺杂Ca2NiWO6钙钛矿的制备、结构及光催化活性机制研究

摘要

由于面临严重环境污染和能源危机问题，开发清洁能源的需求持续上升。利用半导体的光催化作用将水分解为氢和氧，将太阳能转变为化学能，受到各国科学家的高度关注。如果能够提高太阳光分解水产氢产氧的效率，不仅可减少化石燃料的消耗，而且降低了对环境的污染。由于光解水是一个多步而又复杂的反应，只有少部分的光催化剂可实现可见光下同时产氢产氧，所以很多研究者尝试提高其半反应效率。双层钙钛矿结构的Ca2NiWO6是一类新型光催化材料，具有较好的可见光光活性，近年来已发展成为光催化领域的一个研究热点。本论文采用传统固相合成法制备了一系列不同浓度Mo6+掺杂的Ca2NiW1-xMoxO6催化剂，通过实验和理论计算结果的结合分析，详细探究了Mo6+掺杂对Ca2NiWO6光催化剂反应活性的影响机制，本论文的主要研究工作和结论如下:
　　(1)利用固相合成法合成Ca2NiW1-xMoxO6(x=0，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05)系列掺杂样品。采用XRD、XAFS、SEM、XPS、UV-vis DRS等技术研究了Mo6+离子对Ca2NiWO6的物理光学性能的影响。表征结果显示，Mo6+离子取代了晶格中W6+离子的位置，增强了对可见光的吸收，同时形成了一定的氧空位，但对粒子晶体结构和形貌没有明显的影响。
　　(2)通过可见光下的光解水产氧活性测试，对掺杂样品的活性进行表征。测试结果表明，掺杂的样品比未掺杂样品活性高，其中Ca2NiW0.97Mo0.03O6样品的产氧速率最高，是未掺杂Ca2NiWO6样品的2倍左右。结合态密度泛函理论计算，探究了Mo6+离子对Ca2NiWO6电子结构的影响。Mo6+掺杂导致了Ca2NiWO6能带发生变化:带隙变窄，导带底更正，而价带位置未变化。所以，Ca2NiW1-xMoxO6在可见光下的光催化产氧活性明显提高。但当Mo6+浓度过高时，Ca2NiW1-xMoxO6晶格畸变加剧，缺陷过多形成复合中心，导致载流子复合几率增大，从而使得光催化产氧活性下降。通过这一工作，表明了掺杂是提高双层钙钛矿结构半导体在可见光下光催化产氧活性的有效方法之一。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 半导体光催化机理

1．3 光催化技术应用

1．3．1 光催化分解水

1．3．2 光催化降解有机染物

1．3．3 光催化技术的其他应用

1．4 可见光响应的光催化剂研究进展

1．4．1 半导体复合

1．4．2 光敏化

1．4．3 离子掺杂

1．5 钙钛矿结构催化剂简介

1．5．1 简单钙钛矿

1．5．2 复杂钙钛矿

1．6 本论文的研究内容及方法

第2章 实验与表征

2．1 不同掺杂浓度样品的制备

2．1．1 实验原料及设备

2．1．2 样品的合成

2．2 样品的物理及光学性质表征

2．2．1 X射线粉末衍射(XRD)分析

2．2．2 X射线精细结构谱(XAFS)分析

2．2．3 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．2．4 X射线光电子能谱(XPS)分析

2．2．5 紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)分析

2．3 态密度泛函理论

2．4 可见光产氧活性测试

第3章 结果与讨论

3．1 物理及光学性质分析

3．1．1 XRD分析

3．1．2 XAFS分析

3．1．3 SEM分析

3．1．4 XPS分析

3．1．5 UV-vis DRS分析

3．2 计算结果及分析

3．2．1 Ca2NiWO6电子结构分析

3．2．2 Mo6+掺杂的Ca2NiW1-xMoxO6电子结构分析

3．3 可见光产氧活性分析

3．4 本章小结

第4章 文章总结与展望

4．1 文章总结

4．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢