论文摘要
环境恶化是当前人类社会所面临的一个重大问题,这其中有许多环境问题如温室效应、酸雨、光化学污染,是来源自化石类能源的生产和利用过程,因此开发清洁无污染、并可持续利用的新能源是解决此类问题的最有效途径之一。太阳能分解水制氢技术可以将太阳能转化为氢能,氢在使用中只有唯一产物——水,这是一种清洁且具有可持续性的新能源转化体系。在众多的太阳能制氢技术中,异相光催化分解水制氢因其体系简单、稳定、一步制氢的特点,日益成为研究的热点。异相光催化的研究核心是开发固相光催化剂。当前,研究者已经发现了多种高效的光催化剂,但遗憾的是这些材料只能响应波长小于400nm的紫外光。这部分光只占全部太阳光能的4%左右,为了更高效地利用太阳光,近些年人们开始将研究焦点聚集到可见光响应型光催化剂的开发上,并取得了一定的进展。但截至目前,能在可见光下完全分解水的光催化剂依然寥寥可数。因此,开发可见光响应的新型光催化剂具有非常重要的理论和现实意义。本论文以能带理论为基础,固溶体作为调控能带结构的手段,成功设计合成了一系列可见光下能完全分解水的光催化剂:空间群为I41/amd型的BixY1-xVO4、BiYWO6、Bi0.5M0.5VO4（M=La,Ce）以及I41/a型的BixY1-xVO4。同时,利用XRD、SEM、XPS、DRS、BET等多种手段表征了它们的物理化学性质,研究了助催化剂、pH值等因素对其光催化活性的影响,探讨了光催化剂的能带结构与其活性之间的构效关系。通过这些研究与讨论充分证实了本文的研究路线的可行性:即通过固溶体的合成,调整产氧光催化剂（可见光响应型）的导带结构,使其满足光催化分解水产氢的要求,进而实现可见光下水的完全分解。本文的研究内容和结论摘示如下:1.光催化完全分解水需要光催化剂的价带和导带同时满足氧化和还原水的要求。在可见光响应光催化剂的禁带宽度比紫外光响应的材料要小,上述要求往往难于同时满足。因此,牺牲剂（电子给体和电子受体）被广泛用来表征材料的单边光催化性能,即产氢或产氧性能。但研究中发现,紫外光照射下牺牲剂与水会发生光化学反应生成氢或者氧,从而不能正确反映材料的单边光催化性能。因此本论文研究了牺牲剂与水的光化学反应及其对光催化反应结果的影响。当全波长（波长大于200nm）照射时,牺牲剂与水会发生显著的光化学反应。通过使用截止波长为300 nm的滤波片后,光化学反应得以有效地抑制。在可见光下（波长大于420nm）,牺牲剂不会与水发生光化学反应,因此添加牺牲剂能准确反映光催化剂的可见光催化性能。使用Pt/TiO2作为光催化剂时,甲醇是最好的电子给体,而硝酸铁是最好的电子受体。2.Bi2WO6是一种能响应可见光,但只能分解水生成氧气的光催化剂。本论文首先以Bi2WO6为能带结构的调控对象,设计并制备了可见光响应型固溶体光催化剂BiYWO6。该材料能吸收波长小于470nm的可见光和紫外光,其禁带宽度约为2.71eV。负载了助催化剂后,BiYWO6能在紫外光和可见光下完全分解水生成氢气和氧气,其中RuO2是最佳的助催化剂。通过对其能带结构的分析及讨论,认为BYW的产氢能力可归因于Y的加入使得BYW导带提高。同时BYW与Bi2WO6的晶型存在差异,这种的差异使得BYW中Bi6s参与了价带组成、提高了价带的位置,减小了禁带宽度,保持了可见光吸收的性能。3.BiVO4是另一种能响应可见光,但只能分解水生成氧气的高效光催化剂。以BiVO4为能带结构的调控对象,设计合成了Bi0.5Y0.5VO4（BYV（0.5））固溶体光催化剂。BYV（0.5）是空间群为I41/amd型BiVO4和YVO4的固溶体,能吸收波长小于520nm的可见光和紫外光,禁带宽度为2.38eV。与其光吸收性质相一致的是BYV（0.5）固溶体能在波长小于510nm的可见光范围内完全分解水。在420nm处BYV（0.5）固溶体完全分解水的量子效率可达0.47%,这优于BiYWO6固溶体。特别是当pH=9时,样品光催化活性最佳。此外,对不同波长入射光的研究发现:紫外光下,共负载了助催化剂1wt% Rh和1wt% Fe2O3的样品具有最高的产氢和产氧速率;可见光下,1wt% Rh和1wt% CuO的样品活性最好,这种差异应来源于催化剂在紫外光和可见光下不同的激发机制。当入射光波长小于420nm时,O2p和Bi6s电子均可吸收光子从价带中激发到导带,当波长大于420nm时,只有Bi6s电子能吸收光子从价带中激发到导带。光催化反应后,BYV（0.5）的XRD和XPS结果证实了BYV（0.5）在反应过程中具有稳定的晶体结构和表面元素化学态。BYV（0.5）中,Y3+和Bi3+分别参与了导带和价带的组成,提高了导带和价带的位置,从而实现了BYV（0.5）可见光下完全分解水。4.对BYV（0.5）的研究表明BYV（0.5）是一种高效的可见光响应光催化剂。为此,本论文通过高温固相反应合成了不同元素配比的BYV（0≤X≤1）的固溶体光催化剂,并研究了它们的光催化活性。当负载了助催化剂后,在0.125<x<0.75之间的BYV能在全波长（λ>300nm）和可见光（λ>420nm）下都能完全分解水,其的光催化活性随着x的增加,呈现先增后减的趋势,并在x=0.375处获得最佳的光催化效果。5.将BYV中Y位拓展至与Bi3+具有相同化合价和离子半径的Ln系元素,通过高温固相合成了Bi0.5M0.5VO4（M=La,Ce）固溶体,研究比较了它们与BYV（0.5）物化性质和光催化性能的异同。Bi0.5M0.5VO4（M=La,Ce）的晶体结构与BYV（0.5）一样,同属于I41/amd空间群。尽管它们的光吸收性质不完全相同,但三者都可以吸收可见。Bi0.5La0.5VO4的禁带宽度为2.4 eV,这与BYV（0.5）相似。Bi0.5Ce0.5VO4在200800nm内没有吸收边,其禁带宽度应小于1.55 eV。研究证实三者在全波长或可见光下都具有光催化完全分解水的能力,但活性却不同相同。不具有4f电子层结构的Bi0.5Y0.5VO4光催化效果最优,具有4f电子空层的Bi0.5La0.5VO4表现次优,而具有4f电子层的Bi0.5Ce0.5VO4的效果最差,这说明镧系元素的4f电子有弱化催化剂光催化性能的作用。6.利用球磨法制备了新型的I41/a型BYV（0.625<X<0.75）固溶体,这系列固溶体尚未报道。I41/a型BYV固溶体可与前文中制备的I41/amd型BYV固溶体相互转化。通过球磨处理,I41/amd型BYV固溶体可以转变为I41/a型;当热处理I41/a型BYV固溶体则可转变为I41/amd型。I41/a型BYV固溶体能吸收波长小于550nm的可见光,并能在紫外（λ> 300nm）和可见光（λ> 420nm）下完全分解水生成氢气和氧气。高温固相反应和球磨热处理制备得到的I41/amd型BYV固溶体具有相同的晶体结构和表面化学态,但二者的颜色、光吸收曲线和光催化活性都存在显著的差异。初步认为这种差异是由于其表面结构的不同所导致,因此表面化学改性能有效改变材料的光催化活性。