基于钛酸纳米结构的TiO_2基复合光催化剂光催化性能和构—效关系

【摘要】基于表面相结和异质结来构造Ti02基复合光催化剂是制备高效光催化剂的有效策略。本篇博士学位论文以钛酸纳米结构为前驱体,通过控制其转化过程制备了多种具有不同表面相结和异质结结构的Ti02基复合光催化剂,系统研究了其在模拟太阳光照下光解水产氢反应中的光催化性能和结构-性能关系,取得如下主要研究结果：1.通过钛酸纳米纤维和Sr(OH)2在乙醇和水混合溶剂中的水热反应制备了系列具有不同的异质结纳米纤维结构。随Sr(OH)2/H-titanate摩尔比的增加,异质结纳米纤维结构从TiO2/H-titanate两相异质结构,到SrTiO3/TiO2/H-titanate三明治三相异质结构,再到SrTiO3/H-titanate两相异质结构。发现SrTi03选择性生长在TiO2/H-titanate两相异质结构的Ti02表面从而形成三明治SrTiO3/TiO2/H-titanate三相异质结构。研究了各种异质结构的界面电荷转移机制和光催化活性,发现三明治SrTiO3/TiO2/H-titanate三相异质结构中的SrTiO3和H-titanate导带电子均可以有效转移到光催化活性的TiO2导带并参与光还原水产氢反应,从而表现出远优于TiO2/H-titanate和SrTiO3/H-titanate两相异质结构的光解水产氢活性。该研究结果表明高活性三相异质结构光催化剂不仅需要合适的能带结构利于电荷转移,同时也需要合适的几何结构利于转移电荷有效参与表面催化反应。2.以钛酸纳米管为前躯体,通过调变水热处理时HN03浓度,制备系列具有不同相组成的Ti02光催化剂。随着HNO3浓度提高,Ti02相组成由纯锐钛矿相到锐钛矿-板钛矿-金红石三相混合相、再到板钛矿-金红石两相混合相,最后为纯金红石相。混相Ti02材料中表面相结的存在能够有效抑制光生电子和空穴的复合,提高其光催化产氢活性,其中相组成为72.9wt%锐钛矿相、24.6wt%板钛矿相和2.5wt%金红石相的Ti02光催化剂在相同条件下的光解水产氢速率是P25的4倍。3.制备了Cu2+离子交换的钛酸纳米管,通过空气焙烧制备了CuOx/TiO2纳米棒复合光催化剂。发现钛酸高温分解生成Ti02产生的氧空位能够还原Cu2+生成Cu20,形成Ti02纳米棒负载的Cu20纳米粒子；随Cu2+负载量增加,形成TiO2/Cu2O纳米棒核／壳结构；继续增加Cu2+负载量则形成TiO2/Cu2O纳米棒核／壳结构负载的CuO纳米粒子。TiO2/Cu2O纳米棒核／壳结构在光解水产氢反应中表现出最高活性和良好的稳定性。该研究结果表明Cu20薄膜自身能够作为高效光催化剂完成光解水产氢反应。4.以Ni2+和A矿离子交换的钛酸纳米管为前驱体制备了NiO/TiO2和Ag0-Ag+/Ti02纳米棒复合光催化剂。观察到光解水产氢反应过程中NiO和Ag能够被原位光还原。通过对比研究了不同Ag负载量Ag0-Ag+/Ti02在模拟太阳光照射和紫外光照射下的光催化产氢行为,阐明了Ag纳米粒子表面等离子体共振效应对Ag0-Ag+/Ti02复合光催化剂的促进作用。
【作者】刘园旭；
【导师】黄伟新；
【作者基本信息】中国科学技术大学，物理化学，2014，博士
【关键词】表面相结；异质结；光催化制氢；TiO2复合光催化剂；钛酸；核-壳结构；

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