本文關(guān)鍵詞：硒化銦和鈦酸銦納微結(jié)構(gòu)調(diào)控與光催化制氫性能，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：太陽能分解水制氫是一種環(huán)境友好的再生能源制備技術(shù),被認(rèn)為是解決能源問題和環(huán)境問題的最佳途徑。制備具有寬太陽光響應(yīng)范圍和高效光催化制氫活性的光催化劑一直是太陽能分解水制氫研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。硒化銦具有很好的可見光吸收特性,被廣泛應(yīng)用于光電器件和太陽能電池,但是其傳統(tǒng)的合成工藝比較復(fù)雜,樣品沒有很好的微納米結(jié)構(gòu),因此這類半導(dǎo)體材料并沒有被開發(fā)成為光催化制氫用材料。鈦酸銦是一種寬帶隙半導(dǎo)體氧化物,一般用于紫外光催化反應(yīng)中,對太陽能的利用率太低。針對上述問題,我們設(shè)計制備了硒化銦和鈦酸銦的微納結(jié)構(gòu)材料,并對其結(jié)構(gòu)、形貌、組成等進(jìn)行了表征。通過對材料進(jìn)行光催化制氫性能測試,系統(tǒng)地研究了它們的光催化制氫反應(yīng)活性。主要的研究結(jié)果介紹如下:(1)In2Se3多孔四方塊的溶劑熱-煅燒兩步法合成及其光催化制氫活性研究以InCl3和Se為原料,用溶劑熱-煅燒兩步法制備了In2Se3微納結(jié)構(gòu)材料。該方法具有成本低、環(huán)境友好、操作簡單、產(chǎn)物純度高、顆粒尺寸分布均勻等特點(diǎn)。運(yùn)用XRD、SEM、EDS、TEM、UV-Vis DRS、BET、PL等測試手段,對制備的樣品進(jìn)行了形貌、組成和光吸收等表征。溶劑熱法合成的前驅(qū)物具有規(guī)則的四方塊結(jié)構(gòu)以及納米粒子結(jié)構(gòu),在氮?dú)庵徐褵幚淼玫降募兿唳?In2Se3主要有多孔四方塊和納米粒子兩種形貌。我們研究了樣品微觀結(jié)構(gòu)對光催化產(chǎn)氫性能的影響,比較了三種不同形貌結(jié)構(gòu)的In2Se3在純水、三乙醇胺體系中紫外光照射和可見光照射下的產(chǎn)氫活性,討論了形貌與活性的關(guān)系,其中In2Se3多孔四方塊樣品表現(xiàn)出最好的光催化產(chǎn)氫效果。(2)InSe和InSe-TiO2納米片的溶劑熱-煅燒兩步法合成及其可見光催化制氫活性研究以InCl3和SeO2為原料,用溶劑熱-煅燒兩步法制備了InSe納米片。運(yùn)用XRD、SEM、EDS、TEM、UV-Vis DRS、BET、XPS等測試手段,對制備的樣品進(jìn)行了形貌、組成、光吸收和元素價態(tài)等表征。結(jié)果表明,溶劑熱法合成的前驅(qū)物具有規(guī)則的納米片結(jié)構(gòu),在氮?dú)庵徐褵幚砗蟮玫搅⒎较郔nSe納米片,完全復(fù)制了前驅(qū)物的形貌結(jié)構(gòu)。InSe納米片具有明顯的可見光吸收特性,帶隙值為1.55 eV。通過對不同的犧牲劑作用下InSe納米片催化劑的可見光催化制氫速度進(jìn)行對比,證明InSe在抗壞血酸-水體系中催化活性最高,1.5 h后產(chǎn)氫15.1μmol。與InSe納米片的制備方法一樣,在水熱反應(yīng)過程加入P25作為TiO2源,通過溶劑熱-煅燒兩步法制備InSe-TiO2納米片。UV-Vis DRS測試表明,InSe-TiO2在250-800nm范圍內(nèi)都很強(qiáng)的吸收。用Pt作為助催化劑、抗壞血酸作為犧牲劑,對復(fù)合不同量TiO2的InSe-TiO2催化劑進(jìn)行可見光催化制氫反應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)P25的加入量為0.015g時產(chǎn)氫速度最高,為1.1 mmol/(g催化劑·h),是InSe納米片的4.1倍。HRTEM、比表面積、接觸角和光電流響應(yīng)測試表明,InSe-TiO2的高反應(yīng)活性與幾個因素有關(guān):InSe與TiO2界面間形成異質(zhì)結(jié)、復(fù)合后比表面積增大、親水性增強(qiáng),這些改變可以促進(jìn)電子和空穴的分離和轉(zhuǎn)移、增加催化劑的活性位點(diǎn),從而提高光催化制氫反應(yīng)活性。InSe-TiO2納米片的光催化制氫反應(yīng)速度還與抗壞血酸的濃度、鉑的負(fù)載量有關(guān),并且該催化劑在18 h長時反應(yīng)過程保持穩(wěn)定,產(chǎn)氫速度沒有明顯的下降。(3)In2TiO5的能帶調(diào)控及其近紅外光催化制氫活性研究以InCl3和鈦酸四丁酯為原料,通過溶膠凝膠-高溫煅燒多步反應(yīng)法制備鈦酸銦,再在氨氣氣氛中煅燒,制備含有氧空位和氮摻雜的鈦酸銦。通過XRD、CHN元素分析、FTIR、EDS、TEM、XPS、EPR、UV-Vis-NIR DRS和理論計算等來分析鈦酸銦催化劑的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌、光吸光性和能帶結(jié)構(gòu)等物理、化學(xué)性質(zhì)。在600 oC和700 oC氨氣氣氛中處理的鈦酸銦樣品含有氧空位和晶格取代氮,而500 oC以下煅燒的樣品沒有檢測到氧空位和取代氮。與未處理的鈦酸銦相比,氧空位和氮摻雜的鈦酸銦樣品帶隙變小,在導(dǎo)帶和價帶間出現(xiàn)新能帶,可以吸收近紅外光。我們還研究了氨氣處理溫度和犧牲劑對鈦酸銦催化劑在紅外光下催化制氫反應(yīng)速度的影響,得出在乙醇-水體系中,700 oC氨氣處理的鈦酸銦樣品具有最高反應(yīng)活性,產(chǎn)氫速度為169.8μmol/(g催化劑·h)。本文首次通過溶劑熱-煅燒法合成具有規(guī)則形貌的純相硒化銦,并將它們應(yīng)用于光催化制氫反應(yīng),填補(bǔ)了硒化銦半導(dǎo)體納米材料作為光催化劑研究上的空白。另外,本文還首次實(shí)現(xiàn)了在紅外光照射下的鈦酸銦光催化分解水制氫。
【關(guān)鍵詞】：硒化銦 鈦酸銦 合成 光催化 制氫性能
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O614.372;TQ116.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-49
• 1.1 引言14-17
• 1.2 太陽能轉(zhuǎn)化為氫能的研究概況17-19
• 1.3 半導(dǎo)體光催化制氫技術(shù)19-32
• 1.3.1 基本原理19-20
• 1.3.2 常用的半導(dǎo)體光催化制氫體系20-22
• 1.3.3 半導(dǎo)體光催化制氫材料的分類22-31
• 1.3.4 半導(dǎo)體光催化制氫材料的改性31-32
• 1.4 半導(dǎo)體光催化劑的設(shè)計思路32-33
• 1.5 含銦化合物的制備及其在光催化上的應(yīng)用33-37
• 1.5.1 氧化銦34-35
• 1.5.2 硫化銦35-36
• 1.5.3 硒化銦36-37
• 1.6 本論文選題意義及主要研究內(nèi)容37-39
• 參考文獻(xiàn)39-49
• 第2章 In_2Se_3多孔四方塊的制備與光催化制氫性能49-74
• 2.1 引言49-50
• 2.2 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器設(shè)備50-52
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑50
• 2.2.2 儀器設(shè)備50-52
• 2.3 合成方法52
• 2.4 結(jié)果和討論52-71
• 2.4.1 X-射線粉末衍射(PXRD)52-56
• 2.4.2 熱重分析(TGA)56-57
• 2.4.3 傅立葉變換紅外光譜(FTIR)57-58
• 2.4.4 掃描電鏡(SEM)58-60
• 2.4.5 透射電鏡(TEM)60-61
• 2.4.6 BET比表面積測試61-62
• 2.4.7 紫外-可見漫反射光譜(UV-Vis DRS)62
• 2.4.8 熒光光譜(PL)62-63
• 2.4.9 氙燈光源的發(fā)射光譜63
• 2.4.10 光催化制氫性能63-69
• 2.4.11 光催化制氫反應(yīng)機(jī)理推測69-71
• 2.5 小結(jié)71-72
• 參考文獻(xiàn)72-74
• 第3章 InSe和InSe-TiO_2納米片的制備與可見光催化制氫性能74-98
• 3.1 引言74-75
• 3.2 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器設(shè)備75-77
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑75-76
• 3.2.2 儀器設(shè)備76-77
• 3.3 合成方法77-78
• 3.3.1 溶劑熱-煅燒法制備InSe77
• 3.3.2 溶劑熱-煅燒法制備InSe-TiO_277-78
• 3.3.3 對照樣品的制備78
• 3.4 結(jié)果和討論78-95
• 3.4.1 X-射線粉末衍射(PXRD)78-80
• 3.4.2 Z電位測試80-81
• 3.4.3 掃描電鏡(SEM)81-83
• 3.4.4 透射電鏡(TEM)83
• 3.4.5 X射線光電子能譜(XPS)83-84
• 3.4.6 紫外-可見漫反射光譜(UV-Vis DRS)84-85
• 3.4.7 BET比表面積測試85
• 3.4.8 接觸角測試85-86
• 3.4.9 氙燈光源的發(fā)射光譜86
• 3.4.10 可見光催化制氫性能86-94
• 3.4.11 可見光催化制氫反應(yīng)機(jī)理推測94-95
• 3.5 小結(jié)95
• 參考文獻(xiàn)95-98
• 第4章 In_2TiO_5的能帶調(diào)控與近紅外光催化制氫性能98-126
• 4.1 引言98-99
• 4.2 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器設(shè)備99-100
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑99-100
• 4.2.2 儀器設(shè)備100
• 4.3 合成方法100-101
• 4.3.1 多步溶膠-凝膠-煅燒法合成In_2TiO_5100
• 4.3.2 In_2TiO_5的胺化100-101
• 4.3.3 In_2TiO_5的還原101
• 4.4 結(jié)果和討論101-110
• 4.4.1 X-射線粉末衍射(PXRD)和晶體結(jié)構(gòu)101-102
• 4.4.2 傅立葉變換紅外光譜(FTIR)102-103
• 4.4.3 掃描電鏡(SEM)103-104
• 4.4.4 透射電鏡(TEM)104
• 4.4.5 CHN元素分析(EA)104-105
• 4.4.6 X射線光電子能譜(XPS)105-106
• 4.4.7 電子順磁共振波譜(EPR)106-107
• 4.4.8 固體紫外-可見-近紅外漫反射光譜(UV-Vis-NIR DRS)107-108
• 4.4.9 能帶結(jié)構(gòu)計算108-109
• 4.4.10 氙燈光源的發(fā)射光譜109-110
• 4.5 近紅外光催化制氫性能110-121
• 4.5.1 光電流響應(yīng)測試110
• 4.5.2 近紅外光催化制氫性能110-120
• 4.5.3 近紅外光催化制氫反應(yīng)機(jī)理推測120-121
• 4.6 小結(jié)121
• 參考文獻(xiàn)121-126
• 結(jié)論與展望126-128
• 結(jié)論126-127
• 展望127-128
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文及研究成果128-129
• 致謝129-130
• 作者簡介130

  本文關(guān)鍵詞：硒化銦和鈦酸銦納微結(jié)構(gòu)調(diào)控與光催化制氫性能，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：253898