發(fā)布時(shí)間：2022-01-21 16:07

　　光熱協(xié)同催化作為催化領(lǐng)域的新途徑,可以改善單一光催化、熱催化的不足,實(shí)現(xiàn)太陽能的高效利用。而設(shè)計(jì)一種高效穩(wěn)定的光熱催化劑以及探尋光與熱協(xié)同的催化機(jī)理是該領(lǐng)域的研究前沿。鉍基氧鹵化合物Bi4MO8X（M=Nb,Ta;X=Cl,Br）作為一種新興的光催化材料,具有光吸收范圍寬、光生載流子分離效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但是,如何活化Bi4MO8X,使其成為一種高效的太陽光-熱轉(zhuǎn)換的光熱催化劑有待研究。本文利用Z型結(jié)構(gòu)筑及引入氧空位兩個(gè)途徑活化Bi4TaO8Cl,分別研究了 Bi4TaO8Cl/W18O49 Z型異質(zhì)結(jié)及氧空位型Bi4TaO8Cl催化劑的光熱催化還原CO2性能,為設(shè)計(jì)高效光熱還原CO2催化劑提供了一種有前景的技術(shù)手段。具體研究?jī)?nèi)容如下:（1）Bi4TaO8Cl/W18O49 Z型異質(zhì)結(jié)光熱催化CO2還原研究。在Bi4TaO8Cl納米片表面負(fù)載非化學(xué)計(jì)量的W18O49納米結(jié)構(gòu),制備了直接Z結(jié)Bi4TaO8Cl/W18O49光催化劑,研究了 Z型異質(zhì)結(jié)光熱催化還原CO2活性。與Bi4TaO8Cl相比,新型Z結(jié)光催化劑還原CO2為CO產(chǎn)率提高了 1.92倍,而光熱催化還原CO2為CO產(chǎn)... 

【文章來源】：東北師范大學(xué)吉林省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：64 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

光催化還原CO2反應(yīng)機(jī)理圖

3CO2+4H++4e-→HCHO+H2O-0.48VCO2+6H++6e-→CH3OH+H2O-0.38VCO2+8H++8e-→CH4+H2O-0.24VCO2還原產(chǎn)物主要有CO、HCOOH、CH3OH、CH4等，從熱力學(xué)角度看，CO2還原更容易生成甲烷和甲醇（還原電位較低）。然而，從動(dòng)力學(xué)上分析，甲烷和甲醇的形成比一氧化碳、甲醛和甲酸的形成更加困難，因?yàn)榍罢叩姆磻?yīng)需要更多的電子[22]。由于光催化劑表面的復(fù)雜性，光催化劑與被吸附物質(zhì)之間的相互作用可能會(huì)經(jīng)歷一系列單電子過程，而不是多電子、多質(zhì)子的過程。考慮到這一點(diǎn)，能夠同時(shí)釋放多個(gè)電子和質(zhì)子對(duì)提高反應(yīng)速率很重要。1.2.2光還原CO2催化劑及其改性研究1.2.2.1常見的光還原CO2催化劑1979年Inoue等人證明：在光照下，TiO2、ZnO、GaP等多種半導(dǎo)體材料能夠催化CO2還原，并對(duì)不同材料上甲醛、甲酸、甲醇、甲烷等一種或多種轉(zhuǎn)化產(chǎn)物進(jìn)行了檢測(cè)[23]，帶動(dòng)了光催化CO2還原的研究。與光催化水分解等領(lǐng)域相比，用于CO2光還原的材料相對(duì)較少，許多被認(rèn)為是很好的水分解的光催化劑由于動(dòng)力學(xué)上的困難并不能用于光還原二氧化碳。目前文獻(xiàn)報(bào)道的光還原CO2催化劑主要有以下幾類，其中幾種典型光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)如圖1.2所示：（1）金屬氧化物：TiO2、ZnO、Ga2O3、ZrO2、Ta2O5等（2）混合金屬氧化物：SrTiO3、CaFe2O4、NaNbO3、ZnGa2O4、Zn2GeO4等（3）硫化物：ZnIn2S4、ZnxCd1-xS等（4）氮化物：C3N4、GaN等（5）鹵化物：BiOCl、BiOBr等（5）其它：層狀雙金屬氫氧化物L(fēng)DH、MOF等圖1.2幾種半導(dǎo)體光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)圖

逑檔難躉?乖?縹揮ξ揮詮獯呋?戀牡即?子爰鄞?ブ?�。因此�?諶攘ρ?細(xì)?旱?導(dǎo)帶底和更正的價(jià)帶頂電位更有利于反應(yīng)物的還原和氧化反應(yīng)，然而這將擴(kuò)大光催化劑的帶隙，不能充分利用太陽能。顯然，這兩個(gè)條件是互相矛盾的。因此，單一光催化劑很難同時(shí)具有較寬的光譜吸收范圍和較強(qiáng)的氧化還原能力[50,51]。并且在單一光催化劑中，導(dǎo)帶中的光生電子很容易與價(jià)帶中的光生空穴復(fù)合，會(huì)嚴(yán)重降低光生載流子的利用率，因此通過設(shè)計(jì)合適的多相光催化體系來克服以上問題。異質(zhì)結(jié)光催化系統(tǒng)主要有II型異質(zhì)結(jié)和Z-scheme兩種類型，如圖1.3所示，對(duì)于II型異質(zhì)結(jié)來說[52–56]，入射光照射到異質(zhì)結(jié)表面，光生電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，光催化劑I(PCI)導(dǎo)帶上的電子繼續(xù)遷移到光催化劑II(PCII)的導(dǎo)帶，而在PCII價(jià)帶上的空穴遷移到PCI的價(jià)帶上。因此，II型異質(zhì)結(jié)光生電子和空穴被空間隔離，這大大抑制了光生載流子的復(fù)合。然而，電荷轉(zhuǎn)移后光生電子和空穴的氧化還原能力被削弱。因此,有必要探索一種同時(shí)具有高電荷分離效率和強(qiáng)氧化還原能力的新型光催化體系。

本文編號(hào)：3600575