Bi0.5Y0.5VO4的制备及其光解水性能研究

论文摘要

环境恶化和能源危机是当前人类社会所面临的两个重大问题,利用可再生资源制备清洁无污染的氢能源是解决上述问题的有效途径之一。在众多的制氢方法中,由“Fujishima-Honda”效应发展而来的多相光催化分解水技术日益受到广泛关注。设计和制备能够完全分解水的光催化剂材料,具有非常重要的理论现实意义。BiVO4作为一种能够相应可见光的半导体催化剂而备受关注,但其能带结构特性决定了该催化剂只能光催化产氧,而不能产氢,限制了它在光催化分解水领域的应用。本文以合成固溶体作为调控能带结构的手段,以BiVO4为结构的调控对象,采用水热预处理的方法,使用较短时间热处理（6 h）合成了Bi1-xYxVO4固溶体,利用XRD、SEM、DRS、BET对其物理化学性质进行表征,结果表明,Bi1-xYxVO4是BiVO4和YVO4的固溶体,晶体结构为四方晶系的I41/amd空间群,能够在λ> 300nm光照条件下完全分解水生成氢气和氧气,共负载助催化剂wt 1%Pt-1%Cr2O3的Bi0.5Y0.5VO4光解水活性最好,完全分解水产生氢气和氧气的产率分别为80.5μmol/h和43.8μmol/h。通过调节水热反应母液的pH值合成系列Bi0.5Y0.5VO4（BYV（0.5））催化剂,发现pH值对晶体的形貌有较大影响,pH=1条件下,强酸性环境有利于Bi3+、Y3+、V5+等均匀分散和融合,所形成的终产物晶体缺陷较少,从而光催化活性最好。通过改变水热预处理温度合成系列Bi0.5Y0.5VO4催化剂,研究发现水热温度偏低时,Bi0.5Y0.5VO4稳定性较差,长时间光照易失活,表明此时形成的固溶体处于亚稳态。水热预处理温度120℃以上时,催化剂性能保持稳定,140℃条件下制备的Bi0.5Y0.5VO4光催化活性最好。通过改变焙烧温度合成系列Bi0.5Y0.5VO4催化剂,研究发现焙烧温度对晶体结构有较大影响。水热预处理后的四方晶系中间产物,经600℃热处理后转变为单斜晶型,经700℃及以上热处理后保持高温稳定晶型四方晶型,说明中间产物尚未形成稳定的晶体结构。800℃条件下得到的四方晶系的BYV（0.5）晶体缺陷较少,光催化活性最好。制备不同Bi/Y原子配比的固溶体Bi1-xYxVO4（x=0、0.3、0.5、0.7、1）,研究发现Bi1-xYxVO4均为四方晶系,随着x的增加,即Y含量的增加,固溶体吸收边蓝移,带隙变宽,氧化还原能力增强,另一方面蓝移导致吸收光的波长范围变窄,光利用效率下降。综合影响结果发现x=0.5时,Bi0.5Y0.5VO4表现出最高的光催化活性。对Bi0.5Y0.5VO4分别负载wt 1%Pt、1%Cr2O3、1%RuO2作为助催化剂进行光催化测试,发现三者均能为Bi0.5Y0.5VO4提供产氢和产氢的活性位实现完全分解水,负载Pt和Cr2O3时活性较好。改变负载顺序对Bi0.5Y0.5VO4共负载wt 1%Pt-1%Cr2O3,研究对于光催化活性的作用,发现后负载Cr2O3时,氧气产量远远大于氢气,氢氧比例偏离理论比2:1,分析认为这是由于Cr2O3可以作为产氧活性位从而降低析氧过电位。两种助催化剂先后负载时会导致先负载的助催化剂被覆盖,暴露面积不均匀对于光催化活性不利,因此同时负载Pt和Cr2O3时光催化活性最好。保持Pt负载量wt 1%,改变Cr2O3的负载量为wt 0.5%、1%、1.5%、2%进行共负载,研究光催化活性发现最佳比例为wt 1%Pt-1%Cr2O3,Cr2O3含量偏少造成活性位不足;含量偏高发生集聚现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光催化分解水技术简介
• 1.2.1 光催化分解水的基本原理
• 1.2.2 光催化分解水的基本步骤
• 1.2.3 助催化剂的作用
• 1.2.4 Z 型反应
• 1.3 光催化分解水过程影响因素
• 1.3.1 晶体结构和结晶度
• 1.3.2 催化剂的颗粒大小
• 1.3.3 溶液pH 值
• 1.4 光解水催化剂的研究现状
• 1.4.1 光解水材料的研究进展
• 1.4.2 光催化材料的能带调控方法
• 1.5 本文研究目标与内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 主要化学试剂
• 2.2 催化剂的制备方法
• 2.3 催化剂的表征
• 2.4 助催化剂的负载
• 2.5 光催化分解水性能
• 0.5Y_0.5VO₄的理化性质及光解水性能研究'>第三章 不同制备条件下Bi_0.5Y_0.5VO₄的理化性质及光解水性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 水热反应pH 值的影响
• 3.2.1 不同pH 值下BYV（0.5）的表征
• 3.2.2 不同pH 值下BYV（0.5）的光解水性能
• 3.3 水热反应温度的影响
• 3.3.1 不同水热温度下BYV（0.5）的表征
• 3.3.2 不同水热温度下BYV（0.5）的光解水性能
• 3.4 热处理温度的影响
• 3.4.1 不同焙烧温度下BYV（0.5）的表征
• 3.4.2 不同焙烧温度下BYV（0.5）的光解水性能
• 3.5 本章小结
• 1-xY_xVO₄的理化性质及光解水性能研究'>第四章 Bi_1-xY_xVO₄的理化性质及光解水性能研究
• 4.1 引言
• 1-xY_xVO₄ 的物理化学性质'>4.2 Bi_1-xY_xVO₄的物理化学性质
• 1-xY_xVO₄ 的晶体结构'>4.2.1 Bi_1-xY_xVO₄的晶体结构
• 1-xY_xVO₄ 的光吸收性质和比表面积'>4.2.2 Bi_1-xY_xVO₄的光吸收性质和比表面积
• 1-xY_xVO₄ 的光解水性能'>4.3 Bi_1-xY_xVO₄的光解水性能
• 4.4 本章小结
• 0.5Y_0.5VO₄光催化性能的影响'>第五章 助催化剂对Bi_0.5Y_0.5VO₄光催化性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 单独负载不同种类助催化剂
• 20₃ 不同负载顺序对光催化活性影响'>5.3 Pt 和Cr₂0₃不同负载顺序对光催化活性影响
• 20₃ 不同比例的影响'>5.4 共负载Pt-Cr₂0₃不同比例的影响
• 20₃ 共负载提高催化活性机理讨论'>5.5 Pt 和Cr₂0₃共负载提高催化活性机理讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文