硒化铟和钛酸铟纳微结构调控与光催化制氢性能

发布时间：2017-03-18 04:05

  本文关键词：硒化铟和钛酸铟纳微结构调控与光催化制氢性能，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：太阳能分解水制氢是一种环境友好的再生能源制备技术,被认为是解决能源问题和环境问题的最佳途径。制备具有宽太阳光响应范围和高效光催化制氢活性的光催化剂一直是太阳能分解水制氢研究的难点和热点。硒化铟具有很好的可见光吸收特性,被广泛应用于光电器件和太阳能电池,但是其传统的合成工艺比较复杂,样品没有很好的微纳米结构,因此这类半导体材料并没有被开发成为光催化制氢用材料。钛酸铟是一种宽带隙半导体氧化物,一般用于紫外光催化反应中,对太阳能的利用率太低。针对上述问题,我们设计制备了硒化铟和钛酸铟的微纳结构材料,并对其结构、形貌、组成等进行了表征。通过对材料进行光催化制氢性能测试,系统地研究了它们的光催化制氢反应活性。主要的研究结果介绍如下:(1)In2Se3多孔四方块的溶剂热-煅烧两步法合成及其光催化制氢活性研究以InCl3和Se为原料,用溶剂热-煅烧两步法制备了In2Se3微纳结构材料。该方法具有成本低、环境友好、操作简单、产物纯度高、颗粒尺寸分布均匀等特点。运用XRD、SEM、EDS、TEM、UV-Vis DRS、BET、PL等测试手段,对制备的样品进行了形貌、组成和光吸收等表征。溶剂热法合成的前驱物具有规则的四方块结构以及纳米粒子结构,在氮气中煅烧处理得到的纯相γ-In2Se3主要有多孔四方块和纳米粒子两种形貌。我们研究了样品微观结构对光催化产氢性能的影响,比较了三种不同形貌结构的In2Se3在纯水、三乙醇胺体系中紫外光照射和可见光照射下的产氢活性,讨论了形貌与活性的关系,其中In2Se3多孔四方块样品表现出最好的光催化产氢效果。(2)InSe和InSe-TiO2纳米片的溶剂热-煅烧两步法合成及其可见光催化制氢活性研究以InCl3和SeO2为原料,用溶剂热-煅烧两步法制备了InSe纳米片。运用XRD、SEM、EDS、TEM、UV-Vis DRS、BET、XPS等测试手段,对制备的样品进行了形貌、组成、光吸收和元素价态等表征。结果表明,溶剂热法合成的前驱物具有规则的纳米片结构,在氮气中煅烧处理后得到立方相InSe纳米片,完全复制了前驱物的形貌结构。InSe纳米片具有明显的可见光吸收特性,带隙值为1.55 eV。通过对不同的牺牲剂作用下InSe纳米片催化剂的可见光催化制氢速度进行对比,证明InSe在抗坏血酸-水体系中催化活性最高,1.5 h后产氢15.1μmol。与InSe纳米片的制备方法一样,在水热反应过程加入P25作为TiO2源,通过溶剂热-煅烧两步法制备InSe-TiO2纳米片。UV-Vis DRS测试表明,InSe-TiO2在250-800nm范围内都很强的吸收。用Pt作为助催化剂、抗坏血酸作为牺牲剂,对复合不同量TiO2的InSe-TiO2催化剂进行可见光催化制氢反应。结果发现,当P25的加入量为0.015g时产氢速度最高,为1.1 mmol/(g催化剂·h),是InSe纳米片的4.1倍。HRTEM、比表面积、接触角和光电流响应测试表明,InSe-TiO2的高反应活性与几个因素有关:InSe与TiO2界面间形成异质结、复合后比表面积增大、亲水性增强,这些改变可以促进电子和空穴的分离和转移、增加催化剂的活性位点,从而提高光催化制氢反应活性。InSe-TiO2纳米片的光催化制氢反应速度还与抗坏血酸的浓度、铂的负载量有关,并且该催化剂在18 h长时反应过程保持稳定,产氢速度没有明显的下降。(3)In2TiO5的能带调控及其近红外光催化制氢活性研究以InCl3和钛酸四丁酯为原料,通过溶胶凝胶-高温煅烧多步反应法制备钛酸铟,再在氨气气氛中煅烧,制备含有氧空位和氮掺杂的钛酸铟。通过XRD、CHN元素分析、FTIR、EDS、TEM、XPS、EPR、UV-Vis-NIR DRS和理论计算等来分析钛酸铟催化剂的化学组成、晶体结构、微观形貌、光吸光性和能带结构等物理、化学性质。在600 oC和700 oC氨气气氛中处理的钛酸铟样品含有氧空位和晶格取代氮,而500 oC以下煅烧的样品没有检测到氧空位和取代氮。与未处理的钛酸铟相比,氧空位和氮掺杂的钛酸铟样品带隙变小,在导带和价带间出现新能带,可以吸收近红外光。我们还研究了氨气处理温度和牺牲剂对钛酸铟催化剂在红外光下催化制氢反应速度的影响,得出在乙醇-水体系中,700 oC氨气处理的钛酸铟样品具有最高反应活性,产氢速度为169.8μmol/(g催化剂·h)。本文首次通过溶剂热-煅烧法合成具有规则形貌的纯相硒化铟,并将它们应用于光催化制氢反应,填补了硒化铟半导体纳米材料作为光催化剂研究上的空白。另外,本文还首次实现了在红外光照射下的钛酸铟光催化分解水制氢。
【关键词】：硒化铟 钛酸铟 合成 光催化 制氢性能
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O614.372;TQ116.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-49
• 1.1 引言14-17
• 1.2 太阳能转化为氢能的研究概况17-19
• 1.3 半导体光催化制氢技术19-32
• 1.3.1 基本原理19-20
• 1.3.2 常用的半导体光催化制氢体系20-22
• 1.3.3 半导体光催化制氢材料的分类22-31
• 1.3.4 半导体光催化制氢材料的改性31-32
• 1.4 半导体光催化剂的设计思路32-33
• 1.5 含铟化合物的制备及其在光催化上的应用33-37
• 1.5.1 氧化铟34-35
• 1.5.2 硫化铟35-36
• 1.5.3 硒化铟36-37
• 1.6 本论文选题意义及主要研究内容37-39
• 参考文献39-49
• 第2章 In_2Se_3多孔四方块的制备与光催化制氢性能49-74
• 2.1 引言49-50
• 2.2 实验试剂和仪器设备50-52
• 2.2.1 实验试剂50
• 2.2.2 仪器设备50-52
• 2.3 合成方法52
• 2.4 结果和讨论52-71
• 2.4.1 X-射线粉末衍射(PXRD)52-56
• 2.4.2 热重分析(TGA)56-57
• 2.4.3 傅立叶变换红外光谱(FTIR)57-58
• 2.4.4 扫描电镜(SEM)58-60
• 2.4.5 透射电镜(TEM)60-61
• 2.4.6 BET比表面积测试61-62
• 2.4.7 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)62
• 2.4.8 荧光光谱(PL)62-63
• 2.4.9 氙灯光源的发射光谱63
• 2.4.10 光催化制氢性能63-69
• 2.4.11 光催化制氢反应机理推测69-71
• 2.5 小结71-72
• 参考文献72-74
• 第3章 InSe和InSe-TiO_2纳米片的制备与可见光催化制氢性能74-98
• 3.1 引言74-75
• 3.2 实验试剂和仪器设备75-77
• 3.2.1 实验试剂75-76
• 3.2.2 仪器设备76-77
• 3.3 合成方法77-78
• 3.3.1 溶剂热-煅烧法制备InSe77
• 3.3.2 溶剂热-煅烧法制备InSe-TiO_277-78
• 3.3.3 对照样品的制备78
• 3.4 结果和讨论78-95
• 3.4.1 X-射线粉末衍射(PXRD)78-80
• 3.4.2 Z电位测试80-81
• 3.4.3 扫描电镜(SEM)81-83
• 3.4.4 透射电镜(TEM)83
• 3.4.5 X射线光电子能谱(XPS)83-84
• 3.4.6 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)84-85
• 3.4.7 BET比表面积测试85
• 3.4.8 接触角测试85-86
• 3.4.9 氙灯光源的发射光谱86
• 3.4.10 可见光催化制氢性能86-94
• 3.4.11 可见光催化制氢反应机理推测94-95
• 3.5 小结95
• 参考文献95-98
• 第4章 In_2TiO_5的能带调控与近红外光催化制氢性能98-126
• 4.1 引言98-99
• 4.2 实验试剂和仪器设备99-100
• 4.2.1 实验试剂99-100
• 4.2.2 仪器设备100
• 4.3 合成方法100-101
• 4.3.1 多步溶胶-凝胶-煅烧法合成In_2TiO_5100
• 4.3.2 In_2TiO_5的胺化100-101
• 4.3.3 In_2TiO_5的还原101
• 4.4 结果和讨论101-110
• 4.4.1 X-射线粉末衍射(PXRD)和晶体结构101-102
• 4.4.2 傅立叶变换红外光谱(FTIR)102-103
• 4.4.3 扫描电镜(SEM)103-104
• 4.4.4 透射电镜(TEM)104
• 4.4.5 CHN元素分析(EA)104-105
• 4.4.6 X射线光电子能谱(XPS)105-106
• 4.4.7 电子顺磁共振波谱(EPR)106-107
• 4.4.8 固体紫外-可见-近红外漫反射光谱(UV-Vis-NIR DRS)107-108
• 4.4.9 能带结构计算108-109
• 4.4.10 氙灯光源的发射光谱109-110
• 4.5 近红外光催化制氢性能110-121
• 4.5.1 光电流响应测试110
• 4.5.2 近红外光催化制氢性能110-120
• 4.5.3 近红外光催化制氢反应机理推测120-121
• 4.6 小结121
• 参考文献121-126
• 结论与展望126-128
• 结论126-127
• 展望127-128
• 攻读学位期间发表的论文及研究成果128-129
• 致谢129-130
• 作者简介130

  本文关键词：硒化铟和钛酸铟纳微结构调控与光催化制氢性能，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：253898