半导体基催化材料的制备及其光电催化性能研究

发布时间：2016-07-12 18:07

  本文关键词：半导体基催化材料的制备及其光电催化性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《重庆大学》 2014年

半导体基催化材料的制备及其光电催化性能研究

何辉超  

【摘要】：能源危机和环境污染是制约21世纪人类社会经济可持续发展的两大潜在挑战，开发清洁新能源技术应对挑战已成为当今世界的广泛共识,其中通过半导体光电催化技术开发利用地球上丰富的太阳能被认为是解决能源危机和环境污染问题的有效途径之一。近几十年来，科技界在光催化领域持续投入巨大研究资源，半导体材料光电催化应用等相关研究已成为当今世界研究焦点和热点，同时该领域也逐渐发展成了一门涉及化学、物理、材料、环境等相关学科的前沿交叉学科。为了探索开发具有应用价值的光电催化技术，目前光催化领域的研究主要集中在光催化机理探究，新型光催化剂开发和光催化技术与其他能源技术交叉结合应用探究等几个方向。 本论文结合当前光电催化领域研究新动向，以开发合适催化材料吸收利用太阳能为出发点，系统研究了几种纳米结构半导体材料的光电催化性能，探究其在光电化学领域潜在的应用价值。我们主要选取TiO2、WO3以及BiVO4等半导体材料作为研究对象，结合材料各自特点分别采用电化学沉积、溶剂热法和液滴法等制备手段构建相关材料纳米结构，通过调控制备实验参数优化材料的组分、形貌以及结构，系统研究材料的光电催化性能。本论文的主要研究内容大致分为两大部分：一、结合直接甲醇燃料电池阳极催化剂电催化氧化甲醇和半导体光催化剂光电氧化有机物各自特性，选取TiO2纳米管阵列(TiO2NTs)作为Ni、Pt以及PtNi合金等电催化剂载体材料，系统地探究了Ni/TiO2NTs、Pt/TiO2NTs和PtNi/TiO2NTs等复合催化材料对甲醇电催化氧化和光电催化氧化特性，根据研究结果提出了光辅助直接甲醇燃料电池的设计构想；二、以模拟太阳能光电分解水制氢为研究背景，采用溶剂热法和液滴法在FTO玻璃基底上分别制备了WO3纳米棱柱阵列薄膜和BiVO4纳米片阵列薄膜作为光阳极材料，根据能带匹配理论和离子掺杂原理进一步构建了比本征材料光电催化活性更高的Bi2S3/WO3异质结薄膜和W、Mo掺杂BiVO4纳米片阵列薄膜，通过的系统表征和测试探索论证了两种改性途径的原理及实际效果。论文主要研究内容及结论如下： ①电化学阳极氧化法制备的TiO2纳米管具有规整的阵列结构，比表面积大，能为纳米尺寸的催化剂沉积生长和甲醇氧化反应发生提供丰富的活性位点，较适合用作为直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料。经过C掺杂处理后，TiO2纳米管阵列(C-TiO2NTs)的结构形貌特征基本不变，但是导电性更好，且与金属催化剂之间的相互作用更强，更适合作为催化剂载体材料。通过脉冲电沉积法可以把尺寸适中的Ni纳米颗粒、Pt纳米颗粒以及PtNi合金纳米颗粒均匀地负载在TiO2NTs或C-TiO2NTs上构建起Ni/TiO2NTs、Pt/TiO2NTs、PtNi/TiO2NTs、PtNi/C-TiO2NTs等复合催化材料用于甲醇光电催化氧化研究。 ②Ni/TiO2NTs复合催化材料中的Ni纳米颗粒在碱性溶液中一定电势下转变为NiOOH后对甲醇具有催化氧化作用。相比于Ni/TiO2NTs在无光照条件下对甲醇氧化的催化性能，光照条件下Ni/TiO2NTs显示出增强的催化活性和稳定性，这主要归因于复合材料中Ni基物质的电催化特性和TiO2的光催化特性双重作用，以及光照时Ni在一定电势下转变为Ni(OH)2后与TiO2之间形成的p-n异质结具有促进材料对甲醇及其中间产物氧化速率的作用。 ③Pt与Ni形成PtNi合金后可以在甲醇氧化过程产生更多的含氧活性物质OHads,因此相比于Pt/TiO2NTs，PtNi/TiO2NTs对甲醇氧化具有更强的催化活性和稳定性。同时，，相较于材料在无光照条件下对甲醇氧化的催化性能，两种复合催化材料在光照条件下都展示出更高的催化活性和稳定性。此外，研究发现无论光照与否，PtNi合金粒子负载在C-TiO2NTs上比负载在TiO2NTs上都具有更好的甲醇氧化催化活性和稳定性，主要原因可能是C掺杂进入TiO2NTs后提高了其导电性，同时也进一步增强了金属催化剂与载体之间的正向相互作用。 ④结合Ni/TiO2NTs、Pt/TiO2NTs、PtNi/TiO2NTs、PtNi/C-TiO2NTs等复合催化剂在有光照和没有光照时对甲醇氧化的催化特性差异，提出了一个新的电池概念设想─光辅助直接甲醇燃料电池，通过该电池有望把甲醇内储的化学能和太阳能一并转化为电能，提高电池能量转化效率。 ⑤溶剂热法制备WO3时，通过调整水和乙醇的体积比可以制得不同纳米结构形貌的WO3薄膜。当水和乙醇体积比为3:3时，在FTO玻璃基底上可以合成垂直于基底生长的WO3纳米棱柱阵列，阵列层厚度大约为2μm。光电化学测试发现相比实验所得其他纳米结构的WO3(如纳米片，纳米花等)薄膜，纳米棱柱阵列薄膜光电催化性能最好，适合与刺状Bi2S3纳米球复合构建Bi2S3/WO3异质结薄膜。由于WO3和Bi2S3的能带结构位置相互匹配，有利材料的光生载流子转移和分离，因此相比于单层的WO3和Bi2S3薄膜，Bi2S3/WO3异质结薄膜具有更好的光电化学性能。此外，不同厚度的Bi2S3层与WO3层复合对Bi2S3/WO3异质结薄膜的光电化学性能有影响。在实验定义的Bi2S3层条件下，三层Bi2S3复合在WO3层上形成的异质结薄膜光电化学性能最佳，三层Bi2S3厚度大约为3μm。 ⑥液滴热法制备BiVO4薄膜时，调整前驱液中的形貌调控剂聚乙二醇600(PEG-600)含量以及蒸发溶剂乙二醇时间，可以制得不同结构形貌的BiVO4薄膜。在本实验所配母液浓度条件下，Bi:V:PEG-600以体积比为2:2:1配成的前驱液在135°C条件下蒸发乙二醇55min后可以在FTO玻璃基底上制得BiVO4纳米片阵列薄膜。相比于实验所得的BiVO4纳米颗粒薄膜和不规则BiVO4纳米片薄膜，BiVO4纳米片阵列薄膜光电催化性能最好。此外，通过在前驱液中添加一定量的含W和Mo溶液，采用与制备BiVO4纳米片阵列薄膜相同的实验条件可以制得W和Mo掺杂BiVO4纳米片阵列薄膜。光电化学测试表明，W和Mo掺杂可以提高BiVO4纳米片阵列的光电催化性能,其中2%W,6%Mo共掺杂提升性能效果最好。研究结果表明W和Mo掺杂BiVO4并没有改变BiVO4的光吸收性质，但是掺杂会使BiVO4的平带电位发生移动。2%W,6%Mo共掺杂提高BiVO4的光电化学性能可能的原因是水在掺杂薄膜/电解液界面的氧化动力学速度比未掺杂薄膜更快。 本论文的研究工作可以为今后光催化材料的设计、制备、表征以及性能研究等提供一定的方法手段参考，为新型能源器件的设计和构筑提供一定的设计理念和理论基础。

【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O643.36
【目录】：

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1 王秀瑜;张敬畅;朱红;;Pt-Au/CNT@TiO_2作为甲醇燃料电池的高活性阳极催化剂(英文)[J];催化学报;2011年01期

2 刘建国,衣宝廉,魏昭彬;直接甲醇燃料电池的原理、进展和主要技术问题[J];电源技术;2001年05期

3 王一拓;刘桂成;王萌;王新东;;微型直接甲醇燃料电池的研究进展[J];电池;2012年06期

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1 田维;张洪林;蒋林时;;纳米TiO_2光催化材料的制备及研究进展[J];四川有色金属;2006年04期

2 刘长春;;光催化氧化技术在造纸废水处理中的应用[J];安徽化工;2010年02期

3 陈欢欢;柏连阳;;TiO_2光催化降解农药研究进展[J];安徽农业科学;2010年12期

4 陆科呈;王亚军;冯长根;;光催化降解炸药废水研究进展[J];安全与环境学报;2010年06期

5 王骞;;TiO_2光催化纳米材料在环境保护中的应用[J];鞍山师范学院学报;2011年06期

6 刘庆禄;林波;;纳米材料与技术在废水处理中的应用及前景[J];环境科学与管理;2007年11期

7 陈超;余阳;薛罡;周美华;;静电纺丝制备TiO_2/PAN纳米纤维毡及其性能研究[J];环境科学与管理;2009年02期

8 吴韬;齐亮;郭建伟;王要武;谢晓峰;唐有根;陈昊;;直接甲醇燃料电池在军事领域上的应用[J];兵工自动化;2007年01期

9 施宝昌,沈维榕,王勤娜;光催化氧化处理苯酚废水[J];北京化工大学学报(自然科学版);2002年06期

10 孔令红,熊予莹;纳米TiO_2生态陶瓷的研究进展[J];山东陶瓷;2003年06期

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1 滕伟;李新勇;肇启东;熊巍;陈国华;;光催化剂Ag_3PO_4/Ag的合成及其在染料废水处理中的应用[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年

2 黄悦;周忠华;吴玉萍;孟彦超;;深度净化水处理应用领域的TiO_2光催化材料的现状和问题[A];2009中国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2009年

3 吴玉程;;纳米TiO_2在水污染检测与治理中应用的研究进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第6分册）[C];2010年

4 秦祖赠;刘自力;杨克迪;文衍宣;;含铟、铋可见光催化剂的研究进展[A];第七届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2010年

5 潘湛昌;张环华;肖楚民;林治顺;彭康华;魏志钢;;Pt(Ⅳ)掺杂TiO_2能级计算及光电催化降解酸性红B[A];2008年全国冶金物理化学学术会议专辑（上册）[C];2008年

6 王惟峰;汪辉;赵谦;黄欣;;玻纤制品的光催化技术研究[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集（下卷）[C];2003年

7 郝锋;彭鹏;张兴旺;丁浩;;TiO_2光催化自洁玻璃的研究现状及应用前景[A];2006中国非金属矿工业大会暨第九届全国非金属矿加工应用技术交流会论文专辑[C];2006年

8 杨国兴;王立娟;张丽洋;赵增辉;任鹤;马丽;高宇新;;现代污水处理方法与技术研究进展[A];中国化工学会2009年年会暨第三届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛会议论文集（下）[C];2009年

9 陈建秋;王铎;高从堦;;光催化降解染料中氮素的变化分析[A];中国化学会第八届水处理化学大会暨学术研讨会论文集[C];2006年

10 关新新;邹婷;段聪;吴芳;;简单水热法制备氮掺杂TiO_2光催化剂[A];第五届全国环境催化与环境材料学术会议论文集[C];2007年

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4 于晓慧;金属掺杂TiO_2和ZnO的第一性原理研究[D];江苏大学;2010年

5 赵斌;特殊形貌TiO_2/钛酸盐纳米材料的合成与生成机理[D];华东理工大学;2011年

6 邵玮;纳米二氧化钛光阳极材料控制合成及光电化学性能[D];华东理工大学;2011年

7 曹广秀;共掺杂二氧化钛基可见光光催化材料的制备及性能研究[D];东华大学;2010年

8 张峰;光催化氧化联合工艺处理不同污染物的研究[D];中国地质大学（北京）;2011年

9 王韵芳;钛硅复合氧化物的制备及在微污染水处理中的应用研究[D];太原理工大学;2011年

10 段芳;新型复合氧化物纳米结构的制备及其在可见光催化和吸附中的应用[D];江南大学;2011年

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1 范海宾;多壁碳纳米管/PET复合材料界面相容性的研究[D];太原理工大学;2011年

2 祝丽丽;Pd基直接甲醇燃料电池阴极催化剂的制备与性能研究[D];华南理工大学;2011年

3 崔三观;碳纳米管复合材料的制备及其在电化学中的应用研究[D];南昌大学;2011年

4 钱继萍;基于聚磷腈改性Pt催化剂的制备、性能以及应用研究[D];上海交通大学;2013年

5 柯国洲;Au-Ag/SBA-15催化剂的制备及其对CO催化氧化性能的研究[D];大连理工大学;2013年

6 黄娜;二氧化钛纳米管处理含铬染料废水及纳米管材料的改性研究[D];兰州大学;2013年

7 史维娜;有机—无机光敏化合物的合成及其在光催化产氢中的应用[D];郑州大学;2013年

8 张苗;氮杂蒽型染料在碳糊电极上的电化学聚合及电催化性能研究[D];陕西科技大学;2013年

9 毛宝华;金属纳米结构的同步辐射近常压光电子能谱研究[D];苏州大学;2013年

10 王莹;TiO_2基复合光催化材料的制备及光催化活性[D];武汉理工大学;2013年

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1 王东辉;董同欣;史喜成;张忠良;;纳米金催化剂的抗水性能和抗硫中毒性能[J];催化学报;2007年07期

2 周春梅;王红娟;梁家华;彭峰;余皓;杨剑;;Pt/RuO_2/CNTs纳米催化剂中RuO_2含量对甲醇电催化氧化性能的影响(英文)[J];催化学报;2008年11期

3 刘影;赵红;闫世友;齐静;孙公权;;直接甲醇燃料电池阴极耐甲醇Pd-Co/C电催化剂的制备与表征[J];催化学报;2009年10期

4 罗远来;梁振兴;廖世军;;直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究进展[J];催化学报;2010年02期

5 陈延禧,黄成德,孙燕宝;聚合物燃料电池的研史与开发[J];电池;1999年06期

6 邱祎翎;李宝华;杜鸿达;康飞宇;;直接甲醇燃料电池膜电极组件的阳极整平层[J];电池;2007年01期

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8 杨涛;史鹏飞;;燃料电池用碳/聚合物双极板的研究进展[J];电池;2008年02期

9 梁营;王新;廖代伟;;被动式DMFC的性能[J];电池;2008年03期

10 魏昭彬,刘建国,乔亚光,周卫江,李文震,陈利康,辛勤,衣宝廉;直接甲醇燃料电池性能[J];电化学;2001年02期

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8 闵恩泽;工业催化剂的研制与开发 第八章 新催化材料[J];化工时刊;1998年12期

9 武鹏,胡瑞生,沈岳年,白雅琴;稀土六铝酸盐的结构及在高温催化材料中的应用[J];稀土;2003年03期

10 郭耘;卢冠忠;;稀土催化材料的应用及研究进展[J];中国稀土学报;2007年01期

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1 谢彬;张海燕;孟祥举;肖丰收;;环境友好路线合成沸石催化材料[A];第十五届全国分子筛学术大会论文集[C];2009年

2 卢冠忠;郭耘;王艳芹;龚学庆;郭杨龙;;稀土氧化物催化材料的制备及催化性能[A];中国化学会第27届学术年会第11分会场摘要集[C];2010年

3 谢在库;;多孔催化材料创新及其在基本有机化学品合成中的应用[A];中国化工学会2005年石油化工学术年会论文集[C];2005年

4 徐鲁华;翁端;吴晓东;丁红梅;沈美庆;;浅谈稀土纳米催化材料的评价技术[A];中国稀土学会第四届学术年会论文集[C];2000年

5 曹荣;;金属-有机框架化合物负载纳米钯高效催化材料[A];第六届全国物理无机化学会议论文摘要集[C];2012年

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9 林凯峰;姜艳秋;陈娜;许宪祝;;纳米介孔催化材料的合成及应用探索[A];第十四届全国青年催化学术会议会议论文集[C];2013年

10 张宏晔;孙振宇;谢芸;刘志敏;;可控合成金属/金属氧化物纳米催化材料的绿色方法研究[A];中国化学会第27届学术年会第01分会场摘要集[C];2010年

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1 陈福弟;[N];中国石化报;2004年

2 钟希;[N];中国有色金属报;2004年

3 记者 叶青　通讯员 粤科宣;[N];广东科技报;2014年

4 姚燕燕;[N];中国化工报;2004年

5 记者 王燕宁　通讯员 徐少亚 杨芳;[N];科技日报;2008年

6 于生;[N];医药经济报;2008年

7 本报记者 樊丽萍;[N];文汇报;2012年

8 崔晋;[N];中国有色金属报;2003年

9 钟希;[N];中国有色金属报;2004年

10 本报记者 陈丹江;[N];中国化工报;2012年

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2 林凯峰;具有高氧化活性的介孔催化材料的合成及其结构与催化性能表征[D];吉林大学;2005年

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4 王洪林;钛硅复合催化材料的合成、表征及催化性能[D];大连理工大学;2000年

5 屈芳;粘土基多孔吸附/催化材料及其净化典型VOCs的性能[D];浙江大学;2010年

6 姚建峰;多孔催化材料的制备与表征[D];南京工业大学;2005年

7 金炜阳;核壳结构复合催化材料AC@ZSM-5的构建及其费—托合成应用初探[D];浙江大学;2013年

8 任楠;纳米催化材料的有序组装设计与应用[D];复旦大学;2007年

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8 于红英;应用于乙醇阳极的Pd基催化材料的研究[D];中南大学;2014年

9 李岩峰;包头混合轻稀土催化材料的制备及催化性能研究[D];内蒙古科技大学;2009年

10 栾奕;新型钼系催化材料绿色催化氧化研究[D];北京化工大学;2007年

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