钛钽系复合氧化物光催化剂的制备及性能研究

论文摘要

本文采用固相法分别合成了BiTa1-xMxO4（M=Cu、Nb）和Bi4Ti3-xMxO12（M=Mn、Ni）两种类型光催化剂,并对其进行了负载RuO2的研究,通过差热分析（DTA）、粉末X射线衍射法（XRD）、傅里叶-红外光谱分析（FT-IR）、紫外-可见漫反射光谱分析（UV-vis）、比表面积分析（BET）、扫描电子显微镜（SEM）和光催化活性测试等手段对两个复合氧化物体系的合成、结构、比表面积、表面形貌及光催化性能进行了研究。通过固相法合成了BiTa1-xMxO4（M=Cu、Nb）系列光催化剂,XRD分析结果表明,合成BiTa1-xMxO4样品均为纯相,随着掺杂量的增大,衍射峰向高角度发生偏移,说明掺杂使M（M=Cu、Nb）离子部分取代了Ta离子。紫外-可见漫反射光谱分析表明,通过掺杂过渡金属（Cu、Nb）,样品的吸收波长均向长波方向发生移动,掺杂后样品在可见光区（λ＞420nm）有明显响应。FT-IR测试表明晶体结构中存在典型的TaO6八面体的伸缩振动,伸缩振动峰的频率随着掺杂量的增加而向低波数移动。SEM结果表明,随着掺杂量的增大,样品粒径逐渐变均匀且有变小趋势,结晶度变好,这对提高样品的光催化活性有利。光催化分解水制氢实验结果表明,掺杂后样品的光催化分解水产氢速率随着掺杂量的增加先增加而后发生降低。通过浸渍法在催化剂表面负载RuO2,负载后光催化剂分解水活性有大幅提高,对于此体系RuO2最佳负载量为0.3mass%（按金属钌的含量计算）。固相法合成的Bi4Ti3-xMxO12（M=Mn、Ni）系列光催化剂均为纯相,通过掺杂过渡金属（Mn、Ni）使样品在可见光区（λ＞420nm）吸收增强,并且掺杂Mn对于样品Bi4Ti3O12禁带宽度有较大影响,随着掺杂量的增加其禁带宽度逐渐减小。XRD结果表明,掺杂使M（M=Mn、Ni）离子部分取代了Ti离子,并没有改变原有样品的晶体结构。FT-IR测试表明晶体结构中存在的TiO6八面体的伸缩及弯曲振动。对Bi4Ti3-xMxO12（M=Mn、Ni）体系样品进行RuO2负载实验发现负载后样品的活性提高近10倍,最佳负载量为0.5mass%。Mn和Ni离子的掺入均使样品可见光下的催化制氢活性升高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 光催化分解水的基本原理
• 1.2.1 光催化反应
• 1.2.2 能带结构对光催化的影响
• 1.2.3 牺牲剂在光催化分解水中的作用
• 1.3 光催化剂的制备方法
• 1.3.1 固相反应法
• 1.3.2 溶胶-凝胶法
• 1.3.3 水热合成法
• 1.3.4 化学共沉淀法
• 1.3.5 化学溶液分解法（CSD）
• 1.4 提高半导体光催化剂活性的主要途径
• 1.4.1 离子修饰
• 1.4.2 金属沉积
• 1.4.3 复合半导体
• 1.4.4 减小半导体粒子尺寸
• 1.4.5 加氧化剂
• 1.5 钛钽系复合氧化物光催化剂研究现状
• 1.5.1 钽酸盐光催化剂
• 1.5.2 钛酸盐光催化剂
• 1.5.3 含有铋的钛钽酸盐光催化剂
• 1.6 课题研究的主要内容
• 第2章 实验材料及测试方法
• 2.1 实验材料及仪器设备
• 2.1.1 主要化学试剂
• 2.1.2 主要仪器设备
• 2.2 相组成及结构表征
• 2.2.1 粉末X射线多晶体衍射（XRD）分析
• 2.2.2 傅里叶-红外（FT-IR）光谱分析
• 2.3 差热分析（DTA）
• 2.4 紫外-可见漫反射光谱分析（UV-vis）
• 2.5 扫描电镜（SEM）分析
• 2.6 比表面积分析（BET）
• 2.7 光催化剂分解水制氢性能测试
• 4的合成及光催化分解水制氢性能研究'>第3章 Cu掺杂BiTaO₄的合成及光催化分解水制氢性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 样品的制备
• 3.2.1 工艺流程及合成步骤
• 3.2.2 DTA分析
• 3.3 物相组成及结构分析
• 3.3.1 X射线粉末衍射（XRD）分析
• 3.3.2 FT-IR分析
• 3.4 样品的能带分析（UV-vis）
• 3.5 样品的比表面积分析
• 3.6 样品的形貌与粒度大小分析
• 3.7 样品的光催化制氢性能测试
• 2的负载对催化活性的影响'>3.7.1 RuO₂的负载对催化活性的影响
• 3.7.2 样品的光催化活性测试
• 3.7.3 样品在可见光下的光催化活性
• 3.8 本章小结
• 4的合成及光催化分解水制氢性能研究'>第4章 Nb掺杂BiTaO₄的合成及光催化分解水制氢性能研究
• 4.1 样品的制备
• 4.2 物相组成及结构分析
• 4.3 紫外-可见（UV-Vis）漫反射光谱分析
• 4.4 样品的比表面积分析
• 4.5 样品的形貌与粒度大小分析
• 4.6 样品的光催化分解水制氢性能测试
• 4.6.1 样品的光催化活性测试
• 4.6.2 动态曲线
• 4.7 本章小结
• 4Ti₃O₁₂的合成及光催化分解水制氢性能研究'>第5章 Mn掺杂Bi₄Ti₃O₁₂的合成及光催化分解水制氢性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 样品的制备
• 5.2.1 样品的合成步骤
• 5.2.2 DTA分析
• 5.3 物相组成及结构分析
• 5.3.1 X射线粉末衍射（XRD）分析
• 5.3.2 FT-IR分析
• 5.4 紫外-可见（UV-Vis）漫反射光谱分析
• 5.4.1 光谱分析
• 5.4.2 禁带宽度分析
• 5.5 样品的比表面积分析
• 5.6 样品的形貌与粒度大小分析
• 5.7 样品的光催化制氢性能测试
• 2的负载对催化活性的影响'>5.7.1 RuO₂的负载对催化活性的影响
• 5.7.2 样品的光催化活性
• 5.8 本章小结
• 4Ti₃O₁₂的合成及光催化分解水制氢性能研究'>第6章 Ni掺杂Bi₄Ti₃O₁₂的合成及光催化分解水制氢性能研究
• 6.1 样品的制备
• 6.2 X射线粉末衍射（XRD）分析
• 6.3 样品的能带分析（UV-vis）
• 6.4 样品的比表面积分析
• 6.5 样品的形貌与粒度大小分析
• 6.6 样品的光催化制氢性能测试
• 6.7 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