光解水用改性金红石型TiO2析氧催化剂的制备与光催化性能研究

论文摘要

针对“双床”光解水析氧过程中光生电子与空穴对分离效率低,导致光解水析氧速率偏低,难于与析氢速率匹配的现状,本研究采用半导体掺杂、半导体复合以及还原气氛处理等多种手段对金红石型TiO2进行了改性,得到了一系列改性TiO2析氧用光催化剂,研究了紫外光（或可见光）辐照下,改性TiO2的光解水析氧性能。首次制备了WO3复合铌掺杂TiO2析氧用光催化剂,并考察了WO3复合浓度对WO3-TiO2/Nb2O5光催化性能的影响;制备了WO3、V2O5和Fe2O3复合的金红石型TiO2光催化剂,首次考察了不同催化剂复合和同一催化剂不同复合浓度对金红石型TiO2催化剂光解水析氧性能的影响,探讨了光催化剂的光致发光性能与其析氧活性之间的关系;首次制备了含氧缺位的金红石型TiO2光催化剂,考察了氧缺位浓度对金红石型TiO2光催化剂析氧性能的影响,采用量子化学计算方法,研究了含氧缺位金红石型TiO2的能带结构;首次制备了含氧缺位的2%WO3-TiO2光催化剂,考察了氧缺位浓度对2%WO3-TiO2催化剂光解水析氧性能的影响。主要研究结果如下:1)WO3的复合能提高TiO2/Nb2O5的光催化活性,当WO3复合浓度为2%时,WO3-TiO2/Nb2O5的光催化活性最高,达到152μmol·l-1·h-1,此时WO3在TiO2/Nb2O5表面刚好达到单层复合。另外,当WO3复合浓度为2%,Fe3+浓度为16·10-3mol·L-1,二次处理温度为873K时,WO3-TiO2/Nb2O5光催化剂光解水析氧速率约为191.7μmol·l-1·h-1。光能转化材料器件化简化了光催化反应装置,能适当延长TiO2光催化剂的使用寿命,简化实验装置,具有较为广阔的前景。2)LRS表明WO3在TiO2表面的单层复合浓度为2%,当达到单层复合时,析氧速率最大,在紫外光辐照下2%WO3-TiO2催化剂光解水的析氧速率约为420μmol·L-1·h-1。根据其透射光谱,采用外推法求出WO3能隙约为2.78eV。LRS表明V2O5在TiO2表面的单层复合浓度约为8%,8%V2O5-TiO2催化剂在紫外光辐照下分解水析氧速率约为110μmol·L-1·h-1,在可见光辐照下分解水的析氧速率约为80μmol·L-1·h-1。根据其透射光谱,采用外推法求出V2O5的能隙约为2.14eV,推导出金红石型TiO2能隙约为3.08eV。无论是在紫外光还还是在可见光照射下,Fe2O3-TiO2光催化剂都不能分解水析出氧气。光催化剂的FL测试结果显示:光催化剂的光致发光性能并非影响催化剂光催化活性的决定性因素。3)在Ti3+含量极少,只有极少量羟基（OH）存在的情况下,适量的氧缺位能显著提高金红石型TiO2光解水的析氧活性,其最大析氧速率达222μmol·L-1·h-1。量子化学计算结果显示:氧缺位能降低半导体带隙能,在带隙中引入中间能级。4)含氧缺位的2.0%WO3-TiO2光催化剂的最大析氧速率约为803μmol·L-1·h-1。基本与“双床”光解水析氢速率相匹配。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 半导体光催化剂用于光解水的原理
• 1.2 光解水用半导体光催化剂的研究现状
• 1.3 "双床"光解水分别析氢、析氧用光催化剂研究现状
• 1.4 析氧用光催化剂研究现状
• 2催化剂光催化性能的方法'>1.5 提高TiO₂催化剂光催化性能的方法
• 1.5.1 离子掺杂
• 1.5.2 半导体复合
• 1.5.3 还原气氛处理
• 1.5.4 表面光敏化
• 1.6 本选题意义和主要研究内容
• 1.6.1 选题意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 3复合铌掺杂TiO₂析氧催化剂的制备和光催化性能研究'>第2章 WO₃复合铌掺杂TiO₂析氧催化剂的制备和光催化性能研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原理
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验试剂
• 2.2.4 实验方法
• 2超细粉体的制备'>2.2.4.1 铌掺杂TiO₂超细粉体的制备
• 3-TiO₂/Nb₂O₅超细粉体的制备'>2.2.4.2 WO₃-TiO₂/Nb₂O₅超细粉体的制备
• 3-TiO₂/Nb₂O₅光催化性能实验'>2.2.4.3 光催化剂WO₃-TiO₂/Nb₂O₅光催化性能实验
• 3-TiO₂/Nb₂O₅的表征'>2.2.4.4 光催化剂WO₃-TiO₂/Nb₂O₅的表征
• 2.3 结果与讨论
• 3-TiO₂/Nb₂O₅的XRD分析结果'>2.3.1 光催化剂WO₃-TiO₂/Nb₂O₅的XRD分析结果
• 3-TiO₂/Nb₂O₅的形貌'>2.3.2 光催化剂2%WO₃-TiO₂/Nb₂O₅的形貌
• 3-TiO₂/Nb₂O₅和TiO₂/Nb₂O₅的激光拉曼光谱分析'>2.3.3 WO₃-TiO₂/Nb₂O₅和TiO₂/Nb₂O₅的激光拉曼光谱分析
• 3-TiO₂/Nb₂O₅紫外-可见光吸收性能'>2.3.4 WO₃-TiO₂/Nb₂O₅紫外-可见光吸收性能
• 3-TiO₂/Nb₂O₅光催化性能研究'>2.3.5 WO₃-TiO₂/Nb₂O₅光催化性能研究
• 3复合浓度对WO₃-TiO₂/Nb₂O₅光催化性能的影响'>2.3.5.1 WO₃复合浓度对WO₃-TiO₂/Nb₂O₅光催化性能的影响
• 3+浓度对2%WO₃-TiO₂/Nb₂O₅光催化活性的影响'>2.3.5.2 电子牺牲剂Fe³⁺浓度对2%WO₃-TiO₂/Nb₂O₅光催化活性的影响
• 2.3.5.3 二次处理温度对光催化活性的影响
• 2.4 光能转化材料的器件化
• 2.5 本章小结
• 2光催化剂的制备和析氧性能研究'>第3章 复合型MexOy-TiO₂光催化剂的制备和析氧性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原理
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验试剂
• 3.2.4 实验方法
• 2超细粉体的制备'>3.2.4.1 金红石型TiO₂超细粉体的制备
• 3-TiO₂超细粉体的制备'>3.2.4.2 复合型WO₃-TiO₂超细粉体的制备
• 2O₅-TiO₂粉体的制备'>3.2.4.3 复合型V₂O₅-TiO₂粉体的制备
• 2O₃-TiO₂粉体的制备'>3.2.4.4 复合型Fe₂O₃-TiO₂粉体的制备
• 2光催化剂的光催化性能实验'>3.2.4.5 复合型MexOy-TiO₂光催化剂的光催化性能实验
• 2光催化剂的表征'>3.2.4.6 复合型MexOy-TiO₂光催化剂的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3-TiO₂光催化剂的表征及析氧性能'>3.3.1 复合型WO₃-TiO₂光催化剂的表征及析氧性能
• 2的TG-DTA分析'>3.3.1.1 TiO₂的TG-DTA分析
• 3-TiO₂光催化剂的物相分析结果'>3.3.1.2 复合型WO₃-TiO₂光催化剂的物相分析结果
• 3-TiO₂光催化剂紫外-可见光吸收性能'>3.3.1.3 复合型WO₃-TiO₂光催化剂紫外-可见光吸收性能
• 3-TiO₂光催化剂的形貌'>3.3.1.4 复合型WO₃-TiO₂光催化剂的形貌
• 3-TiO₂光催化剂的激光拉曼光谱'>3.3.1.5 复合型WO₃-TiO₂光催化剂的激光拉曼光谱
• 3-TiO₂光催化剂光解水析氧性能'>3.3.1.6 复合型WO₃-TiO₂光催化剂光解水析氧性能
• 2O₅-TiO₂光催化剂的表征及光解水析氧性能'>3.3.2 复合型V₂O₅-TiO₂光催化剂的表征及光解水析氧性能
• 2O₅-TiO₂光催化剂物相分析'>3.3.2.1 复合型V₂O₅-TiO₂光催化剂物相分析
• 2O₅-TiO₂光催化剂激光拉曼光谱分析'>3.3.2.2 复合型V₂O₅-TiO₂光催化剂激光拉曼光谱分析
• 2O₅-TiO₂光催化剂紫外-可见光吸收性能分析'>3.3.2.3 复合型V₂O₅-TiO₂光催化剂紫外-可见光吸收性能分析
• 2O₅-TiO₂光催化剂的光解水析氧性能研究'>3.3.2.4 复合型V₂O₅-TiO₂光催化剂的光解水析氧性能研究
• 2O₃-TiO₂光催化剂析氧性能'>3.3.3 复合型Fe₂O₃-TiO₂光催化剂析氧性能
• 2O₅-TiO₂,复合型WO₃-TiO₂和复合型Fe₂O₃-TiO₂光催化剂析氧性能比较'>3.3.4 复合型V₂O₅-TiO₂,复合型WO₃-TiO₂和复合型Fe₂O₃-TiO₂光催化剂析氧性能比较
• 3.3.5. 光催化剂的光致发光性能
• 3-TiO₂光催化剂的光致发光性能'>3.3.5.1 复合型WO₃-TiO₂光催化剂的光致发光性能
• 2O₅-TiO₂光催化剂光致发光性能'>3.3.5.2 复合型V₂O₅-TiO₂光催化剂光致发光性能
• 3,V₂O₅和TiO₂光致发光性能'>3.3.5.3 WO₃,V₂O₅和TiO₂光致发光性能
• 2、2%WO₃-TiO₂和8%V₂O₅-TiO₂光致发光性能比较'>3.3.5.4 TiO₂、2%WO₃-TiO₂和8%V₂O₅-TiO₂光致发光性能比较
• 3.4 本章小结
• 2光解水析氧性能的影响'>第4章 氧缺位对TiO₂光解水析氧性能的影响
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原理
• 4.2.1.1 缺陷理论
• 4.2.1.2 热力学计算
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验试剂及原材料
• 4.2.4 实验方法
• 2光催化剂的制备'>4.2.4.1 含氧缺位的TiO₂光催化剂的制备
• 2光催化剂的表征'>4.2.4.2 含氧缺位的TiO₂光催化剂的表征
• 2光解水析氧性能实验'>4.2.4.3 含氧缺位的TiO₂光解水析氧性能实验
• 4.3 结果与讨论
• 2光催化剂的物相分析（XRD）、比表面（BET）和电子顺磁共振（EPR）分析'>4.3.1 含氧缺位的TiO₂光催化剂的物相分析（XRD）、比表面（BET）和电子顺磁共振（EPR）分析
• 2催化剂的光电子能谱分析（XPS）'>4.3.2 含氧缺位的TiO₂催化剂的光电子能谱分析（XPS）
• 2光催化剂的紫外可见漫反射光谱分析（UV-Vis）'>4.3.3 含氧缺位的TiO₂光催化剂的紫外可见漫反射光谱分析（UV-Vis）
• 2光催化剂的光催化性能'>4.3.4 含氧缺位的TiO₂光催化剂的光催化性能
• 2光催化活性的影响'>4.3.5 放置时间对含氧缺位的TiO₂光催化活性的影响
• 2光催化剂的再生和再生光催化剂的光催化性能'>4.3.6 含氧缺位的TiO₂光催化剂的再生和再生光催化剂的光催化性能
• 2的量子化学计算'>4.3.7 含氧缺位的金红石型TiO₂的量子化学计算
• 4.4 本章小结
• 3-TiO₂催化剂光解水析氧性能的影响'>第5章 氧缺位对复合型WO₃-TiO₂催化剂光解水析氧性能的影响
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验仪器
• 5.2.2 验试剂及原材料
• 5.2.3 实验方法
• 3-TiO₂光催化剂的制备'>5.2.3.1 含氧缺位的复合型WO₃-TiO₂光催化剂的制备
• 3-TiO₂光催化剂的表征'>5.2.3.2 含氧缺位的复合型WO₃-TiO₂光催化剂的表征
• 3-TiO₂光催化剂光催化性能实验'>5.2.3.3 含氧缺位的复合型WO₃-TiO₂光催化剂光催化性能实验
• 5.3 结果与讨论
• 3-TiO₂光催化剂的物相分析（XRD）、粒度分析和电子顺磁共振（EPR）分析,紫外-可见漫反射（UV-vis）分析'>5.3.1 含氧缺位的复合型WO₃-TiO₂光催化剂的物相分析（XRD）、粒度分析和电子顺磁共振（EPR）分析,紫外-可见漫反射（UV-vis）分析
• 3-TiO₂光催化剂的粒度分析'>5.3.2 含氧缺位的复合型2%WO₃-TiO₂光催化剂的粒度分析
• 3-TiO₂光催化剂的XPS分析'>5.3.3 含氧缺位的复合型WO₃-TiO₂光催化剂的XPS分析
• 3-TiO₂光催化剂的光催化性能'>5.3.4 含氧缺位的复合型WO₃-TiO₂光催化剂的光催化性能
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录:攻读博士期间论文发表目录、科研工作及获奖情况