本文選題：光催化　切入點(diǎn)：光解水制氫　出處：《內(nèi)蒙古大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)今人類面臨的兩大主要挑戰(zhàn),尤其是化石燃料的需求量逐漸增加,探索和開發(fā)清潔、安全、可持續(xù)新型能源迫在眉睫。氫能作為清潔能源受到廣泛關(guān)注,在眾多制氫方法中,半導(dǎo)體光解水制氫具有環(huán)境友好、高效等優(yōu)點(diǎn),存在潛在應(yīng)用價值。SnO2作為一種典型n型半導(dǎo)體,由于其優(yōu)異的光學(xué)性能在光催化和太陽能電池領(lǐng)域中受到廣泛關(guān)注。然而SnO2用于光解水產(chǎn)氫領(lǐng)域的研究報道寥寥無幾,主要是由于其光生電子空穴復(fù)合率較高、帶隙較寬。因此抑制光生載流子復(fù)合率、減小禁帶寬度,對提高SnO2可見光制氫催化活性是極為重要的。CsTaWO6是一種高效光催化劑,但是純相的CsTaWO6帶隙較寬,限制了其在可見光催化中的實(shí)際應(yīng)用。通過摻雜、復(fù)合、貴金屬沉積等方法調(diào)控其光催化性能使其對見光響應(yīng)已成為半導(dǎo)體光催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本論文以錫基氧化物和CsTaWO6為研究對象,通過離子摻雜和半導(dǎo)體復(fù)合來提高材料的光學(xué)性能及光催化活性,結(jié)合實(shí)驗(yàn)及理論計算研究了半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和光催化活性調(diào)控機(jī)制。主要內(nèi)容如下:(1)通過調(diào)控反應(yīng)溫度合成一系列非化學(xué)計量比SnOx,實(shí)現(xiàn)了可見光下高效分解水制氫。合成樣品的化學(xué)組成和元素價態(tài)通過XPS測試得以確認(rèn),測試結(jié)果表明SnOx樣品中同時存在Sn2+和Sn4+。室溫合成的SnOx樣品產(chǎn)氫活性最好,而隨著反應(yīng)溫度升高,SnOx樣品產(chǎn)氫性能逐漸降低。這是由于催化劑中減少的Sn2+導(dǎo)致還原驅(qū)動力降低。非化學(xué)計量比SnOx中較多的表面羥基和Sn2+以及相對較負(fù)的導(dǎo)帶電位,是實(shí)現(xiàn)可見光響應(yīng)和高效分解水制氫的關(guān)鍵因素。本研究為設(shè)計開發(fā)可見光產(chǎn)氫新型材料提供有效指導(dǎo)。(2)沉淀法合成了不同比例Sn2+自摻雜SnO2納米材料,對制備的SnO2-x樣品進(jìn)行紅外和拉曼等測試,結(jié)果表明SnO2-x與未摻雜SnO2(Sn4+)樣品相比晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯改變。瞬態(tài)光電流測試表明SnO2-x具有較強(qiáng)的可見光響應(yīng)能力。可見光下分解水制氫測試結(jié)果表明,隨著Sn2+摻雜量增加,SnO2-x光解水產(chǎn)氫量逐漸增加。Sn2+自摻雜SnO2可以有效減小SnO2的禁帶寬度,同時催化劑中大量的表面羥基氧使得催化劑的導(dǎo)帶位置上移,催化劑的還原能力增強(qiáng),因此光解水產(chǎn)氫活性增強(qiáng)。(3)采用簡單的高溫固相法合成了純相的CsTaWO6光催化劑,進(jìn)一步合成了 CsTaWO6/g-C3N4復(fù)合光催化劑。CsTaWO6/g-C3N4光電流明顯強(qiáng)于CsTaWO6,且阻抗較小。在可見光照射下光解水制氫實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,復(fù)合型光催化劑的光催化活性有明顯提高。由于二者能級匹配,光致激發(fā)g-C3N4產(chǎn)生的光生電子可有效的轉(zhuǎn)移到CsTaWO6的導(dǎo)帶上,從而實(shí)現(xiàn)了光生電荷有效分離,提高了光催化活性。
[Abstract]:The energy crisis and environmental pollution are the two major challenges facing mankind today, especially the increasing demand for fossil fuels, the exploration and development of clean and safe, As a clean energy source, hydrogen energy has received extensive attention. Among many hydrogen production methods, semiconductor photolysis water hydrogen production has the advantages of environmental friendliness, high efficiency and so on. There are potential applications of .SnO2 as a typical n-type semiconductor, which has attracted extensive attention in the field of photocatalysis and solar cells due to its excellent optical properties. However, there are few reports on the application of SnO2 in the field of photodissociation of aquatic hydrogen. The main reason is that the photogenerated electron hole recombination rate is higher and the band gap is wider. Therefore, it is very important to increase the catalytic activity of SnO2 visible light hydrogen production by inhibiting the photogenerated carrier recombination rate and decreasing the band gap. CsTaWO6 is a kind of high efficiency photocatalyst. However, the wide band gap of pure phase CsTaWO6 restricts its practical application in visible light catalysis. The photocatalytic response of noble metals to photocatalytic properties has become one of the hot topics in semiconductor photocatalysis. In this thesis, tin based oxides and CsTaWO6 were used as research objects. The optical properties and photocatalytic activity of the materials are improved by ion doping and semiconductor recombination. The regulation mechanism of semiconductor energy band structure and photocatalytic activity was studied in combination with experiments and theoretical calculations. The main contents are as follows: 1) A series of non-stoichiometric SnOxs were synthesized by controlling the reaction temperature, and the efficient decomposition of water under visible light was achieved. Hydrogen. The chemical composition and valence states of the synthesized samples are confirmed by XPS, The results show that both Sn2 and Sn4 exist in the SnOx samples. The SnOx samples synthesized at room temperature have the best hydrogen production activity. However, with the increase of reaction temperature, the hydrogen production performance of Sno _ x samples decreases gradually, which is due to the decrease of Sn2 in the catalyst resulting in a decrease in the reduction driving force. There are more surface hydroxyl groups and Sn2 and a relatively negative conduction band potential in non-stoichiometric SnOx than in SnOx. This study provides an effective guide for the design and development of novel visible light hydrogen production materials. Different ratios of Sn2 self-doped SnO2 nanomaterials were synthesized by precipitation method. The prepared SnO2-x samples were tested by IR and Raman spectroscopy. The results show that the crystal structure of SnO2-x is not obviously changed compared with that of undoped SnO2(Sn4. The transient photocurrent measurement shows that SnO2-x has a strong visible light response. With the increase of doping amount of Sn2, the hydrogen content of hydrolysate increases gradually. Sn2 self-doped SnO2 can effectively reduce the band gap of SnO2. Meanwhile, a large amount of surface hydroxyl oxygen in the catalyst can make the conduction band position of the catalyst move up, and the reduction ability of the catalyst is enhanced. Therefore, a pure phase CsTaWO6 photocatalyst was synthesized by a simple high temperature solid state method. The photocurrent of CsTaWO6/g-C3N4 composite photocatalyst, CsTaWO6 / g-C3N4, was obviously stronger than that of CsTaWO6, and the impedance was lower. The photocatalytic activity of the composite photocatalyst was obviously improved under visible light irradiation. The photogenerated electrons generated by photoexcited g-C3N4 can be transferred to the conduction band of CsTaWO6 effectively, thus realizing the effective separation of photogenerated charges and improving the photocatalytic activity.
【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】：2017
【分類號】：O643.36;TQ116.2

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本文編號：1663114