催化剂Zn_xTiO_yN_z的制备及其可见光下制氢的研究

论文摘要

目前,利用太阳能光解水制氢受到了高度关注,而高效利用太阳光的关键是研制具有可见光响应的光催化剂。大多数过渡金属氮氧化物在可见区呈现较强吸收,是一类潜在的可见区光催化材料。因此本文在深入分析半导体光催化剂光催化机理的基础上,提出了制备一种带隙能较低的新型光催化剂ZnxTiOyNz,并考察了其光催化分解水制氢性能。本论文以Zn（NO3）2·6H2O和Ti（OC4H9）4为原料,通过溶胶凝胶法和高温气固相氮化法,制备了ZnxTiOyNz光催化剂。用X射线衍射衍射、X射线光电子能谱和紫外-可见漫反射吸收光谱等测试手段对其结构进行了表征,考察了氮化温度、氮化时间对其结构的影响。分析结果表明:制备ZnxTiOyNz的最佳氮化温度为1073K、氮化时间5h;在1073K、氮化5h所制备的ZnxTiOyNz经XPS分析表明,样品中存在氮元素,氮元素替代了样品中的部分氧形成ZnxTiOyNz晶相,该催化剂的组成为Zn0.8TiO1.69N0.74。而在1123K、氮化5h所制备的ZnxTiOyNz经XPS分析,样品中不再含有Zn元素。ZnxTiOyNz的紫外可见漫反射光谱分析表明:随着氮化温度的增加,所制样品的光响应区间向可见光区移动。根据能带理论,得出当氮化温度为1073K,氮化5h所制备的ZnxTiOyNz的带隙能为2.38eV。同时,还对担载不同贵金属的催化剂进行了XPS分析,考察贵金属被还原的情况,实验结果表明:可以确定贵金属主要以金属原子状态沉积在催化剂表面。此外,本文采用甲醛还原法和紫外光化学法对ZnxTiOyNz进行贵金属担载,考察不同贵金属担载方法对光催化制氢活性的影响。结果表明:甲醛还原法担载贵金属效果要好于用紫外光化学法。并考察用甲醛还原法担载Pt、Ru和Rh的ZnxTiOyNz以及贵金属的担载量对光催化分解水制氢活性的影响。结果表明:担载Pt的光催化制氢活性最高,其最佳担载量1.8wt%（质量百分比）。本论文最终实验结果表明:将0.3gPt/ZnxTiOyNz催化剂加入到在350mL体积百分比为5%的甲醇水溶液（pH=3）中,在λ≥400nm的可见光照射下,光催化分解水产氢速率为36.2μmol/h。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 光催化分解水的途径
• 1.2.2 光催化机理及催化性能的调控机制
• 1.2.3 常见半导体光催化剂
• 1.2.4 光解水中影响催化剂活性的因素
• 1.2.5 可见光响应型光催化剂的研究
• 1.2.6 光催化分解水制氢的反应体系
• 1.3 论文研究内容
• xTiO_yN_z 的制备'>1.3.1 催化剂Zn_xTiO_yN_z的制备
• xTiO_yN_z 的表征'>1.3.2 催化剂Zn_xTiO_yN_z的表征
• xTiO_yN_z 光催化制氢的研究'>1.3.3 Zn_xTiO_yN_z光催化制氢的研究
• 1.4 课题来源
• xTiO_yN_z的制备'>第2章 催化剂Zn_xTiO_yN_z的制备
• 2.1 实验仪器及药品
• xTiO_yN_z的制备'>2.2 催化剂Zn_xTiO_yN_z的制备
• 2.2.1 前驱体的制备
• xTiO_yN_z 制备'>2.2.2 催化剂Zn_xTiO_yN_z制备
• xTiO_yN_z 的制备'>2.2.3 担载贵金属的Zn_xTiO_yN_z的制备
• 2.3 本章小结
• 第3章 催化剂的表征及其结构研究
• xTiO_yN_z的表征'>3.1 催化剂Zn_xTiO_yN_z的表征
• 3.1.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 3.1.2 X-射线光电子能谱（XPS）分析
• 3.1.3 紫外可见（UV-VIS）漫反射光谱分析
• 3.1.4 贵金属沉积光催化剂的XPS 分析
• 3.2 本章小结
• 第4章 光催化分解水制氢的研究
• 4.1 实验仪器及药品
• 4.2 气相色谱定量测定氢气条件的确定
• xTiO_yN_z光催化活性的考察'>4.3 Zn_xTiO_yN_z光催化活性的考察
• 4.4 贵金属的担载对产氢活性的影响
• 4.4.1 贵金属担载光催化剂的理论依据
• 4.4.2 不同的担载方法对产氢速率的影响
• 4.4.3 担载不同贵金属对产氢速率的影响
• 4.4.4 贵金属担载量对产氢速率的影响
• 4.5 光催化分解水制氢反应器
• 4.6 反应体系对光催化制氢速率的影响
• 4.6.1 纯水体系中pH 值对产氢速率的影响
• 4.6.2 甲醇溶液中pH 值对产氢速率的影响
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢