【摘要】：光催化技術(shù)是解決環(huán)境污染及能源短缺的新型綠色環(huán)保型技術(shù)。鈦酸鍶作為典型的n型半導(dǎo)體氧化物,具備良好的耐腐蝕性、高化學(xué)穩(wěn)定性及光催化活性等特性,在光催化領(lǐng)域有著巨大發(fā)展?jié)摿�。但因其禁帶較寬,光能利用率低及光生電子和空穴分離效率低等因素,嚴(yán)重制約著鈦酸鍶的光催化性能。在本研究課題中,通過Nb表面摻雜首次合成具有表面量子阱效應(yīng)的鈦酸鍶(quantum wellSrTiO3,QW-SrTiO3)納米立方體。SrTiO3拓寬了其光響應(yīng)范圍,增強(qiáng)光生電子和空穴的分離效率,獲得了優(yōu)異的光催化降解有機(jī)物及分解水制氫性能。1、通過對(duì)SrTiO3進(jìn)行內(nèi)部La摻雜,表面Nb摻雜成功制備了具有表面量子阱效應(yīng)的SrTiO3納米立方體。其中,La離子替代Sr離子提高SrTiO3載流子濃度而不改變SrTiO3的能帶結(jié)構(gòu);表面Nb離子替代Ti離子形成Nb摻雜的二維界面,同時(shí)降低SrTiO3表面層的能帶結(jié)構(gòu)。由此,在納米立方體的內(nèi)部與表面會(huì)形成約O.1eV的電位差,從而能夠?qū)㈦娮酉拗圃贜b摻雜的表面層內(nèi),進(jìn)而可得納米尺度的量子限域效應(yīng)。2、QW-SrTiO3具有較高的光催化降解有機(jī)物性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可見光照射下,QW-SrTiO3可高效降解羅丹明B(RhB),且展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)RhB的濃度為10 mg/L時(shí),最佳催化速率約為0.3 min-1,遠(yuǎn)高于純SrTiO3(0.01 min-1)和La摻雜SrTiO3(0.13 mir-1),其最優(yōu)摻雜含量為La 10%內(nèi)部摻雜和Nb 5%表面摻雜。且表面量子限域效應(yīng)能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的主要催化活性物質(zhì)(·O2-),大大增強(qiáng)了樣品的光催化活性。3、QW-SrTiO3在光催化分解水制氫領(lǐng)域也表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)摻雜含量為La 1%內(nèi)部摻雜和Nb 5%表面摻雜時(shí),QW-SrTiO3分解水產(chǎn)氫速率最高為 673.8 μmol h-1 g-1,約是純 SrTi03(188.0 μmol h-1 g-1)的 3.6 倍。另外,在甲醇含量較低情況下(5mL),QW-SrTiO3依然保持較高的光催化活性,這表明SrTiO3表面量子阱的設(shè)計(jì)有利于光生載流子的分離。4、在成功合成QW-SrTiO3的基礎(chǔ)之上,制備QW-SrTiO3/石墨烯(QW-SrTiO3/GR)復(fù)合光催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,石墨烯的最佳負(fù)載含量為1.0%,此時(shí)對(duì)應(yīng)的最高產(chǎn)氫速率約為14693.07 μmol g-1 h-1,相比于純SrTiO3和QW-SrTiO3,分別提高了約78倍和22倍。其作用機(jī)理為:graphene/graphene-的電位(-0.08 V vs.SHE)低于Nb-SrTiO3的導(dǎo)帶低,但同時(shí)高于H+/H2的還原電位(0 Vvs.SHE),故而Nb摻雜表面層上的電子可以快速遷移到石墨烯片層上。故而可增加其光生載流子的分離效率,大大提升其光催化產(chǎn)氫速率。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O643.36;TB383.1
【圖文】：

以與水溶液中的犧牲劑反應(yīng)生成無機(jī)小分子氧化物。光催化分解水制氫時(shí)，在逡逑水中添加犧牲劑用來捕獲空穴也是有效的阻止催化系統(tǒng)中逆反應(yīng)（光生電子、空逡逑穴復(fù)合）發(fā)生的有效途徑之一。如下圖１－２所示，Ｈ＋／Ｈ２的還原電位為（ＯＶｖｓ逡逑ＮＨＥ）。所以，催化劑的導(dǎo)帶底只有比Ｈ＋／Ｈ２的還原電位更負(fù)的時(shí)候才能發(fā)生分逡逑解水制氫的反應(yīng)［２８＿３（）］。逡逑４逡逑

化學(xué)電池等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，鈦酸鍶還具有高介電低損耗，熱穩(wěn)逡逑定性好等特性，在電子、機(jī)械和陶瓷等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。逡逑鈦酸鍶的晶體結(jié)構(gòu)如下圖１－３所示，ＡＢ０３型鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)具有氧八面體的逡逑結(jié)構(gòu)。Ｔｉ離子屬于Ｂ位離子位于氧八面體的中心；Ｓｒ離子屬于Ａ位離子，位于逡逑氧離子周圍。調(diào)查研究表明，在ＡＢ０３用做光催化劑時(shí)，Ａ位元素為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)逡逑元素，Ｂ位元素為提供活性位點(diǎn)的元素。ＳｒＴｉ０３在常溫常壓下屬于立方晶系，逡逑晶格常數(shù)為ａ＝３．９０７埃；ＳｒＴｉ０３的相轉(zhuǎn)變溫度ＴＣ＝１０６Ｋ，當(dāng)Ｔ＜ＴＣ時(shí)，ＳｒＴｉ０３的逡逑晶相由立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较�。逡逑|r：Ｓｒ邋＿：Ｔｉ邋？：０逡逑圖１－３鈦酸鍶的晶體結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｕｎｉｔ邋ｃｅｌｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＳｒＴｉ0３逡逑１．５．２鈦酸鍛的制備及改性逡逑在鈦酸鍶的實(shí)驗(yàn)室研宄制備中，常見的制備方法有溶膠－凝膠法，水（溶劑）逡逑熱法，高溫固相合成法以及化學(xué)共沉淀法等［２９，４Ｓ＿５（）］。其中，高溫固相反應(yīng)法是逡逑７逡逑

邐＾邋①①邐①邋①逡逑圖２－１邋ＱＷ－ＳｒＴｉ０３納米立方體合成示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＱＷ－ＳｒＴｉＯ＾邋ｎａｎｏｃｕｂｅｓ邋ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑２．２．２邋ＱＷ－ＳｒＴｉ０３／ＧＲ（石墨烯＞復(fù)合催化劑的制備逡逑在成功合成ＱＷ－ＳｒＴｉ０３的基礎(chǔ)之上，制備ＱＷ－ＳｒＴｉ０３／ＧＲ復(fù)合光催化劑，逡逑如下圖２－２所示。將適量石墨烯加入到盛有５０邋ｍＬ蒸餾水的燒杯中，超聲分散逡逑１－２個(gè)小時(shí)。同時(shí)，將適量上述制備的ＱＷ－ＳｒＴｉ０３加入到含有１００ｍＬ蒸餾水的逡逑燒杯中，持續(xù)超聲分散１小時(shí)。隨后將上述兩種分散液混合，并繼續(xù)超聲至溶逡逑液完全混合均勻。將上述分散液在液氮中冷凍２分鐘后置于冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行逡逑：冷凍干燥。真空模式下冷凍干燥約７２小時(shí)后即可得到ＱＷ－ＳｒＴｉ０３／ＧＲ復(fù)合催化逡逑劑。逡逑１６逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 吳丹丹;石墨烯/鈦氧化物復(fù)合光催化劑的合成及其光催化性能的研究[D];南昌航空大學(xué);2016年

本文編號(hào)：2781615