学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

可见光响应催化材料的制备及其光催化产氢性能研究

作　者: 柴波
导　师: 彭天右
学　校: 武汉大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 可见光响应 光催化产氢 纳米复合材料 光稳定性 碳基复合材料
分类号: TQ426
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 83次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


高效、低廉、环保的光催化制氢技术已成为一项极具挑战的战略性课题。目前，广泛使用的光催化材料TiO2虽具有稳定、廉价和无毒等优异特性，但其仅能吸收紫外光，而可见光占太阳光谱能量的～43%。因此，开发可见光响应、高效和稳定的光催化材料成为该领域的关键性课题。为此，本论文开展了可见光响应的新型催化材料的调控合成及其产氢性能等研究。获得的主要研究内容和结论归纳如下：1.首次以离子液体为辅助剂，采用溶剂热法合成了直径为5-10μm的立方相In2S3核桃状微球。该微球是由10-50nm厚的纳米片交叉联结而成的较均一的分等级结构，表现出相对稳定的可见光催化产氢活性。通过改变离子液体用量，溶剂热温度和反应时间，可以实现产物的组成、晶相、微纳结构和形貌的有效调控，为其他金属硫化物微纳结构的控制合成提供了一条可资借鉴的途径。2.以In（NO3）3和L-半胱氨酸为原料，采用水热和后煅烧处理相结合的方法制备了直径约1μm的立方相In2S3花状微球，该微球为由10-20nm厚的片层结构组装而成的分等级结构。经球磨法与TiO2复合得到可见光响应的In2S3/TiO2纳米复合材料。与In2S3微球相比，In2S3/TiO2的光催化产氢活性提高了14倍。通过带隙计算和光致荧光证实，只有当Pt负载在TiO2上时才有利于促进光生电子在复合组份间的定向迁移，实现光生载流子的有效分离。上述结果为复合半导体的微纳结构和助催化剂的负载位点的调控提供了有益的借鉴，对新型、高效、可见光响应的光催化体系的构筑具有重要的指导意义。3.以In（NO3）3·4.5H2O，Zn（NO3）2·6H2O和硫代乙酰胺为原料，水热制备了直径为3-6μm的六方相ZnIn2S4花状微球。并首次在水热过程中将多壁碳纳米管（MWCNTs）引入该微球内部制备了MWCNTs/ZnIn2S4纳米复合微球。与ZnIn2S4微球相比，其负载1wt%Pt的产物的可见光催化产氢效率提高了90%；而引入MWCNTs后其产氢效率提高了55%。虽然与Pt负载产物相比，MWCNTs对产氢效率的提高程度略低，但Pt为稀缺资源，且复合微球具有良好的产氢活性和长效稳定性。因此，MWCNTs/ZnIn2S4复合微球不失为一类新型、高效和可见光响应的光催化材料，具有较大的实际应用价值。4.采用溶剂热和氮气气氛后煅烧处理相结合的方法制备了粒径约为100-200nm的黝锡矿型四元金属硫化物—Ag2ZnSnS4。负载Pt后，Ag2ZnSnS4的产氢活性显著增强，并具有良好的光稳定性，其在420nm单色光照下的表观量子效率为15.2%。上述结果表明，Ag2ZnSnS4作为一种新型半导体光催化剂可替代高毒性、易光腐蚀的CdS，有较大的实际应用价值。5.以AgNO3，In（NO3）3·4.5H2O，硫代乙酰胺和TiO2（P25）为原料，采用一步水热法制备了AgIn5S8/TiO2纳米复合材料，考察了复合配比对材料的晶相、微结构、光吸收和光催化产氢性能的影响。AgIn5S8的吸收带边值约为705nm，其对应的能隙为1.76eV，AgIn5S8/TiO2也表现出宽光谱响应性能。与AgIn5S8相比，AgIn5S8/TiO2的可见光催化产氢效率提高了6.7倍，并具有良好的光稳定性。究其原因在于复合材料中超细AgIn5S8均匀而紧密地附着在TiO2表面形成的异质结，有助于各组分发挥协同效应，促进光生载流子的分离。上述结果对于优选不同能级结构和性能的半导体构筑宽光谱响应、高效与稳定的异质结体系具有重要的指导意义。6.通过简单的溶液法制备了C60修饰SWCNTs的纳米芽型(标记为C60-d-CNTs)和高温真空煅烧法将C60包埋在SWCNTs内部形成的豆荚状（标记为Peapod）新型碳纳米结构材料。上述碳纳米结构材料与TiO2复合后在可见光（λ≥420nm）照下均未产氢，但在氙灯紫外光照下能有效产氢。发现C60-d-CNTs是提高TiO2光催化活性最有效的碳纳米结构材料。与单纯的TiO2相比，其产氢效率提高了2.1倍，明显优于引入单一的SWCNTs、C60或豆荚状碳纳米结构材料。究其原因在于C60和SWCNTs间较强的化学相互作用有利于TiO2的光生电子迁移至SWCNTs，随后向C60转移，从而可有效地抑制光生载流子的复合。虽然上述碳纳米结构材料未能拓展TiO2对可见光的响应范围，但可促进光生电子的定向迁移，进而抑制电荷复合。上述结果为具有高效的电子注入和分离效率的光催化材料的设计与合成提供了一些新的思路。7.采用尿素在空气气氛加盖煅烧法可大规模制备具有多孔层状结构的g-C3N4，再通过化学吸附作用与Pt-TiO2复合。当g-C3N4和Pt-TiO2质量比为70:30时，复合材料的可见光催化产氢效率达到最大值，且显示出良好的光稳定性；而单一的g-C3N4和Pt-TiO2均无可见光催化产氢活性，说明该复合材料中存在光生电子的定向迁移，可抑制光生载流子的复合，实现可见光催化产氢。上述结果为大规模制备廉价、新型和光稳定的可见光响应光催化材料提供了新的途径。

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-16
第一章 绪论  16-42
  1.1 前言  16
  1.2 半导体光催化制氢的基本原理及要求  16-19
    1.2.1 光催化制氢的基本原理  16-17
    1.2.2 光催化制氢的基本要求  17-19
  1.3 提高可见光催化产氢性能的基本途径  19-24
    1.3.1 能带调控  19-21
    1.3.2 有机染料敏化  21-22
    1.3.3 无机半导体复合  22
    1.3.4 晶相和微结构调控  22-24
    1.3.5 助催化剂  24
  1.4 铟基硫化物光催化研究概况  24-27
    1.4.1 硫化铟  24-25
    1.4.2 三元铟基硫化物  25-26
    1.4.3 多元铟基硫化物  26-27
  1.5 碳基半导体复合光催化材料研究进展  27-31
    1.5.1 活性炭(AC)复合光催化材料  27-28
    1.5.2 碳纳米管(CNTs)复合光催化材料  28-29
    1.5.3 C_(60)复合光催化材料  29-30
    1.5.4 石墨烯复合光催化材料  30-31
  1.6 本文立题思想及研究内容  31-33
  参考文献  33-42
第二章 核桃状In_2S_3 微球的离子液体辅助溶剂热法制备及其可见光催化产氢性能  42-55
  2.1 实验部分  43-44
    2.1.1 仪器及试剂  43
    2.1.2 材料制备  43
    2.1.3 材料表征  43-44
    2.1.4 光催化产氢实验  44
  2.2 结果与讨论  44-52
    2.2.1 反应条件对产物晶相和微结构影响  44-48
    2.2.2 核桃状In_2S_3 微球形成机理  48-49
    2.2.3 紫外-可见漫反射光谱分析  49
    2.2.4 BET分析  49-51
    2.2.5 XPS及EDX分析  51
    2.2.6 光催化产氢性能分析  51-52
  2.3 本章小结  52
  参考文献  52-55
第三章 In_2S_3 /(Pt-TiO_2 )纳米复合光催化材料的制备及其可见光催化产氢性能  55-68
  3.1 实验部分  55-56
    3.1.1 仪器及试剂  55-56
    3.1.2 材料的制备  56
    3.1.3 材料表征  56
    3.1.4 光催化产氢实验  56
  3.2 结果与讨论  56-64
    3.2.1 晶相分析  56-57
    3.2.2 微结构分析  57-59
    3.2.3 XPS及EDX分析  59-60
    3.2.4 紫外-可见漫反射光谱分析  60-61
    3.2.5 光催化产氢性能分析  61-62
    3.2.6 光催化产氢效率的增强机理  62-64
  3.3 本章小结  64-65
  参考文献  65-68
第四章 花状ZnIn_2S_4 ， MWCNTs/ZnIn_2S_4 复合微球的水热制备及其可见光催化产氢性能  68-87
  4.1 实验部分  69-70
    4.1.1 仪器及试剂  69
    4.1.2 材料制备  69-70
    4.1.3 材料表征  70
    4.1.4 光催化产氢实验  70
  4.2 结果与讨论  70-83
    4.2.1 物相分析  70-72
    4.2.2 微结构分析  72-74
    4.2.3 组成及价态分析  74-76
    4.2.4 紫外-可见漫反射及红外光谱分析  76-77
    4.2.5 BET分析  77-78
    4.2.6 ZnIn_2S_4 微球的光催化产氢性能及其机理探讨  78-80
    4.2.7 MWCNTs/ZnIn_2S_4 纳米复合材料的光催化产氢性能及其机理探讨  80-83
  4.3 本章小结  83-84
  参考文献  84-87
第五章 多元金属硫化物Ag_2ZnSnS_4 的制备及其可见光催化产氢性能  87-95
  5.1 实验部分  88
    5.1.1 仪器及试剂  88
    5.1.2 材料制备  88
    5.1.3 材料表征  88
    5.1.4 光催化分解水产氢  88
  5.2 结果与讨论  88-92
    5.2.1 晶相分析  88-89
    5.2.2 微结构分析  89
    5.2.3 XPS分析  89-90
    5.2.4 紫外-可见漫反射光谱分析  90-91
    5.2.5 光催化产氢性能分析  91-92
  5.3 本章小结  92-93
  参考文献  93-95
第六章 AgIn_5S_8 /TiO_2 复合光催化材料的制备及其可见光催化产氢性能  95-104
  6.1 实验部分  95-96
    6.1.1 仪器及试剂  95-96
    6.1.2 材料制备  96
    6.1.3 材料表征  96
    6.1.4 光催化分解水产氢  96
  6.2 结果与讨论  96-101
    6.2.1 物相分析  96-97
    6.2.2 微结构分析  97
    6.2.3 XPS分析  97-99
    6.2.4 紫外-可见漫反射光谱分析  99
    6.2.5 光催化产氢性能及其机理分析  99-101
  6.3 本章小结  101-102
  参考文献  102-104
第七章 基于C_(60) 修饰SWCNTs的新型碳纳米杂化材料的制备及其对TiO_2 光催化产氢性能的影响  104-117
  7.1 实验部分  105-106
    7.1.1 仪器及试剂  105
    7.1.2 材料制备  105-106
    7.1.3 材料表征  106
    7.1.4 光催化分解水产氢  106
    7.1.5 光电化学测试  106
  7.2 结果与讨论  106-113
    7.2.1 晶相分析  106-108
    7.2.2 微结构分析  108
    7.2.3 拉曼光谱分析  108-109
    7.2.4 紫外-可见吸收和漫反射分析  109
    7.2.5 XPS分析  109-111
    7.2.6 光催化产氢性能  111-112
    7.2.7 光催化产氢性能机理探讨  112-113
  7.3 本章小结  113-114
  参考文献  114-117
第八章 g-C_3N_4 /(Pt-TiO 2)纳米复合材料的制备及其可见光催化产氢性能  117-128
  8.1 实验部分  118-119
    8.1.1 仪器及试剂  118
    8.1.2 材料制备  118
    8.1.3 材料表征  118
    8.1.4 光催化分解水产氢  118
    8.1.5 光电化学测试  118-119
  8.2 结果与讨论  119-125
    8.2.1 晶相分析  119
    8.2.2 微结构分析  119-122
    8.2.3 XPS分析  122
    8.2.4 紫外-可见漫反射和红外光谱分析  122-123
    8.2.5 光催化产氢性能和机理分析  123-125
  8.3 本章小结  125
  参考文献  125-128
总结与展望  128-132
博士期间主要科研成果  132-133
致谢  133-134
附件  134-136

相似论文

  1. 巯基功能化离子液体对CdSe量子点稳定性影响的研究,O649
  2. 自修饰法制备β-TCP/PLLA纳米可降解复合材料的研究,TB332
  3. PLLA/POSS纳米复合材料的制备及其微观结构性能的研究,R318.08
  4. 多孔MIn2S4（M=Zn，Cd）光催化剂的制备、表征与光催化性能研究,O643.36
  5. 两种不同途径的原位法制备PPV/AuNPs纳米复合材料及其荧光和光伏性能的研究,TB383.1
  6. 多功能Fe3O4/ZnO/SiO2纳米复合材料的制备及性能研究,TB383.1
  7. 纳米AgI-ZnO复合粉体的制备及其性能研究,TB383.1
  8. 三苯基膦环氧树脂/碳纳米管复合材料的制备和性能研究,TB383
  9. 纳米增强聚氯乙烯手套材料的制备与表征,TB383.1
  10. 有机蒙脱土在橡胶中的耐磨机理及应用研究,TQ330.38
  11. 高性能PA6/EPDM/OMMT纳米复合材料的研究,TB383.1
  12. 拉伸形变支配的PET/蒙脱土纳米复合材料制备实验研究,TB383.1
  13. 三维导电网络结构LiFePO4/C的合成及电化学性能研究,TM912
  14. 超分子凝胶胶药物分子光稳定性保护作用的研究,TQ460.1
  15. 微弧氧化V2O5/TiO2复合光催化膜的制备与性能研究,TB43
  16. 基于蝶翅结构的纳米复合材料制备及表面增强拉曼散射效应研究,TB383.1
  17. Skutterudite/InSb纳米复合热电材料的制备及热电性能研究,TB383.1
  18. 氯化镁/蒙脱土复合载钛催化剂的制备及其乙烯聚合的研究,TB383.1
  19. 乙二胺协助的磁性Pd/Fe3O4球的控制制备及其性能研究,TB383.1
  20. 可溶性聚酰亚胺抗紫外涂层的应用研究,TS195.2
  21. 聚（氨酯—乙烯基咪唑）共聚物/石墨烯纳米复合材料的制备,TB383.1

中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 试剂与纯化学品的生产 > 催化剂（触媒）
© 2012 www.xueweilunwen.com