【摘要】：近年來,隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,化石能源的急劇消耗所帶來的環(huán)境污染和能源危機問題日益突出,對人類的生存和健康產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。選擇合適的催化材料,充分利用太陽能治理環(huán)境污染并且產(chǎn)生可持續(xù)發(fā)展綠色能源是對我們提出的新要求和新任務(wù)。釩酸鉍(BiVO_4)是一種催化性能良好,可見光響應(yīng)較好的常見窄帶隙半導(dǎo)體催化材料。本文以BiVO_4催化劑為主線,通過晶相結(jié)構(gòu)調(diào)控、貴金屬摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合等改性方式來設(shè)計-合成釩酸鉍半導(dǎo)體復(fù)合材料,從而提高催化活性。采用一系列的表征方法深入討論了半導(dǎo)體催化材料的催化性能和反應(yīng)機理。具體內(nèi)容如下:1.通過水熱法調(diào)節(jié)前驅(qū)體的pH值來控制合成不同的BiVO_4粉末,通過XRD、SEM、TEM、BET等表征方法研究了其晶相結(jié)構(gòu)、形貌以及比表面積的變化,并且比較了其在可見光下(λ≥420 nm)分解水產(chǎn)氧的性能。最后表明前驅(qū)體p H值為8時,單斜白鎢礦釩酸鉍(ms-BiVO_4),具有相對最大的比表面積和最小的帶隙值,表現(xiàn)出最優(yōu)的光解水產(chǎn)氧性能,其速率為173.19μmol/g/h。所以,通過密度泛函理論(DFT)計算分別對tz-BiVO_4和ms-Bi VO_4兩種不同晶相的BiVO_4的能帶結(jié)構(gòu)與電子激發(fā)的躍遷形式對可見光產(chǎn)氧性能的影響作了進(jìn)一步討論。2.進(jìn)一步改進(jìn)合成方法,通過水熱和煅燒兩步合成不同形貌的Bi VO_4。采用對硝基苯酚還原實驗評估其催化活性,并且深入探討其催化活性動力學(xué)和普適性。隨后結(jié)合光沉積法制備了不同Ag含量的XAg/BiVO_4催化劑,其在4-NP的還原實驗中表現(xiàn)出較高的活性和穩(wěn)定性,這是由于Ag的負(fù)載增加了更多的活性位點而且加快了電子轉(zhuǎn)移速率。8Ag/BiVO_4在2 min將4-NP(20 mg/L)近99.7%還原,且還原速率常數(shù)為1.967 min~(-1)。最后我們也提出了其催化還原4-NP的機理,并且通過理論計算做了進(jìn)一步證明。3.以Au納米顆粒作為電子傳遞中間體來調(diào)控g-C_3N_4/BiVO_4復(fù)合相界面電荷轉(zhuǎn)移方式,設(shè)計-合成Au/g-C_3N_4/BiVO_4三相Z型異質(zhì)結(jié)催化劑,有利于提高光生載流子的分離與轉(zhuǎn)移速率,并且增強復(fù)合半導(dǎo)體的氧化還原能力。再結(jié)合貴金屬Au納米顆粒的SPR效應(yīng),所以顯著提高了半導(dǎo)體的在可見光下分解水產(chǎn)氫的性能。所以,三相催化劑4Au9C1B呈現(xiàn)最好的產(chǎn)氫性能,在可見光下平均產(chǎn)氫速率達(dá)到390μmol·g~(-1)·h~(-1),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純相CN,xCyB,x AuCN。然后通過光電流測試和活性物種捕獲實驗,更加有力地對其反應(yīng)機理作出了證明。
【圖文】：

學(xué)科領(lǐng)域的研究重點。1.2 半導(dǎo)體光催化作用反應(yīng)原理化劑，是在光的激發(fā)下，在半導(dǎo)體表面發(fā)生催化反應(yīng)，將光進(jìn)反應(yīng)的物質(zhì)。半導(dǎo)體催化材料的能帶結(jié)構(gòu)一般與金屬的能 Band，VB)和導(dǎo)帶(Conduction Band，CB)之間存在一個禁帶，禁帶寬度激發(fā)所需的能量時，半導(dǎo)體受到激發(fā)，價帶上的電子帶躍遷到導(dǎo)帶，于是在價帶產(chǎn)生光生空穴(h+)，在導(dǎo)帶產(chǎn)生光庫侖力的作用下形成了電子-空穴對[16]。在價帶上的光生空劑表面的物質(zhì)氧化；在導(dǎo)帶上的光生電子具有還原性，可以所以，會在半導(dǎo)體表面發(fā)生光催化氧化還原反應(yīng)。

當(dāng)一部分的電子和空穴會發(fā)生體內(nèi)復(fù)合（途徑 C），還有一部分電子和時發(fā)生復(fù)合（途徑 B），，只有少量的躍遷到半導(dǎo)體表面且未發(fā)生復(fù)合電體或電子供體發(fā)生反應(yīng)（途徑 D 和途徑 E）。因此，選擇高效的方法加分離并且有效地抑制光生電子-空穴對的復(fù)合是提高半導(dǎo)體光催化劑催體催化劑光解水的原理為了解決能源問題，我們要充分利用太陽能實現(xiàn)光解水制氫。圖 1.2 的原理圖[18]。從圖中我們可知，實現(xiàn)光解水產(chǎn)氫和產(chǎn)氧需要半導(dǎo)體原能力。只有半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶電位比氫電極電位 H+/H2（0 eV vs N比氧電極電位 O2/H2O（+1.23 eV vs NHE）更正時，光生電子-空穴才氧氣，還原為氫氣。
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 李芳柏,古國榜,黎永津;WO_3/TiO_2復(fù)合半導(dǎo)體的光催化性能研究[J];環(huán)境科學(xué);1999年04期

本文編號：2701581