宽带隙半导体改性光催化剂的制备及其可见光制氢性能研究

论文摘要

氢气是未来最理想的能源,太阳能取之不尽,用之不竭,利用太阳能光解水制氢是制氢最理想的方法。本论文研究了B,N共掺杂TiO2,碱式氧硫锌固溶体(ZnOxS1-x-0.5y（OH）y)的制备及其可见光光催化制氢性能,研究内容分为两个部分:一、硼、氮共掺杂TiO2光催化剂的制备及其可见光光解水制氢性能研究。以钛酸四正丁酯,尿素,硼酸为前躯体,采用溶胶-凝胶法制备了B,N共掺杂TiO2可见光催化剂,通过可见光光还原原位沉积法载铂,以EDTA-2Na为电子给体,考察了催化剂在可见光（λ＞420nm）下制氢活性。通过UV-Vis DRS,XRD,FT-IR,XPS,BET比表面,电化学等手段对催化剂进行了表征。实验结果表明,N掺杂可在TiO2中形成N-Ti-O键,使其具有可见光吸收能力;B主要存在于催化剂表面,但部分掺入TiO2晶格中。B掺杂显著地提高了N-TiO2的可见光活性。相对于纯TiO2和N-TiO2,B,N共掺杂TiO2的粒径更小,光电流更大,表面羟基含量更多,晶格畸变增加,而且掺入的B可以作为电子的浅势捕获阱,延长光生电子和空穴的寿命,因而提高了催化剂的活性。二、碱式氧硫锌固溶体(ZnOxS1-x-0.5y（OH）y)的制备及其可见光分解水制氢性能研究。以硝酸锌,硫化钠,氢氧化钠为原料,采用简单的共沉淀方法制备碱式氧硫锌固溶体(ZnOxS1-x-0.5y（OH）y),经焙烧后得到可见光催化剂.。以Na2S和Na2SO3为电子给体,考察了催化剂在可见光（λ＞420nm）下制氢活性。通过UV-Vis DRS,XRD,TG-DTA,BET比表面,电化学等手段对催化剂进行了表征。实验结果表明,催化剂的组成和沉淀温对制氢活性有很大影响。度低温沉淀时形成ZnS1-x（OH）2x固溶体,高温沉淀和焙烧后,催化剂都会有不同程度的脱溶,产生ZnO,并且O溶于ZnS形成碱式固溶体ZnOxS1-x-0.5y（OH）y。氢氧基团（-OH）对形成固溶体及催化活性都有贡献,催化剂的活性成分是ZnOxS1-x-0.5y（OH）y。当ZnO与ZnS物质的量的比为1:1,373 K沉淀,673 K N2气氛中焙烧制备的催化剂活性最好,不负载贵金属,可见光照射下,量子效率可达到2.9%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 选题背景
• 1.2 半导体光催化作用原理
• 2光催化剂的研究进展'>1.3 TiO₂光催化剂的研究进展
• 2结构对催化活性的影响'>1.3.1 TiO₂结构对催化活性的影响
• 1.3.1.1 量子尺寸效应
• 1.3.1.2 晶相结构影响
• 1.3.2 贵金属单质修饰半导体
• 1.3.3 金属掺杂
• 2掺杂机理'>1.3.3.1 纳米TiO₂掺杂机理
• 1.3.3.2 常见的掺杂方法
• 1.3.3.3 过渡金属离子掺杂
• 1.3.3.4 稀土金属离子掺杂
• 1.3.3.5 碱土金属离子掺杂
• 1.3.4 非金属离子掺杂
• 1.3.4.1 N掺杂
• 1.3.4.2 S掺杂
• 1.3.4.3 C掺杂
• 1.3.4.4 B掺杂
• 1.3.4.5 卤素离子掺杂
• 1.3.5 离子共掺杂
• 1.3.6 半导体复合
• 1.3.7 敏化可见光催化剂
• 1.3.7.1 敏化原理
• 1.3.7.2 无机化合物敏化
• 1.3.7.3 有机染料敏化
• 1.4 新型窄带可见光半导体光催化剂
• 1.5 选题依据和意义
• 1.6 主要创新点
• 参考文献
• 2可见光分解水制氢性能研究'>第2章 硼、氮共掺杂TiO₂可见光分解水制氢性能研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂
• 2.2.2 主要仪器
• 2.2.3 催化剂的制备
• 2催化剂的制备'>2.2.3.1 N-TiO₂催化剂的制备
• 2催化剂的制备'>2.2.3.2 B-N-TiO₂催化剂的制备
• 2.2.4 光催化反应
• 2.2.5 膜电极的制备
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 FT-IR分析
• 2.3.2 UV-Vis分析
• 2.3.3 XPS分析
• 2.3.4 XRD分析
• 2.3.5 不同N掺杂量的活性分析
• 2活性影响分析'>2.3.6 不同焙烧温度对N-TiO₂活性影响分析
• 2活性影响分析'>2.3.7 不同B掺杂量对N-TiO₂活性影响分析
• 2.3.8 光电流分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• xS_1-x-0.5y（OH）_y)的制备及其可见光分解水制氢性能研究'>第3章 碱式氧硫锌固溶体(ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y)的制备及其可见光分解水制氢性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂
• 3.2.2 主要仪器
• xS_1-x-0.5y（OH）_y催化剂的制备'>3.2.3 ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y催化剂的制备
• 3.2.4 光催化反应
• 3.2.5 膜电极的制备
• 3.2.6 量子效率计算公式
• 3.3 结果与讨论
• xS_1-x-0.5y（OH）_y（1:1）的XRD分析'>3.3.1 ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y（1:1）的XRD分析
• xS_1-x-0.5y（OH）_y（1:1）前驱体的TG-DTA分析'>3.3.2 ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y（1:1）前驱体的TG-DTA分析
• xS_1-x-0.5y（OH）_y（1:1）的UV-Vis分析'>3.3.3 ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y（1:1）的UV-Vis分析
• xS_1-x-0.5y（OH）_y（1:1）活性的影响'>3.3.4 不同焙烧温度对ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y（1:1）活性的影响
• xS_1-x-0.5y（OH）_y（1:1）活性的影响'>3.3.5 不同沉淀温度对ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y（1:1）活性的影响
• xS_1-x-0.5y（OH）_y（a:b）的XRD分析'>3.3.6 ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y（a:b）的XRD分析
• xS_1-x-0.5y（OH）_y（a:b）的UV-Vis分析'>3.3.7 ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y（a:b）的UV-Vis分析
• xS_1-x-0.5y（OH）_y（a:b）的活性分析'>3.3.8 ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y（a:b）的活性分析
• xS_1-x-0.5y（OH）_y（a:b）的电化学分析'>3.3.9 ZnO_xS_1-x-0.5y（OH）_y（a:b）的电化学分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第4章 结论
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果