尖晶石類復(fù)合材料的制備、表征及CO2光轉(zhuǎn)化性能研究.pdf

1、CO2是導(dǎo)致全球變暖的主要溫室氣體，將CO2固定和轉(zhuǎn)化具有重要的研究意義，利用光能光催化轉(zhuǎn)化CO2是CO2轉(zhuǎn)化利用的途徑之一。尖晶石氧化物具有一定的可見光催化活性，本文設(shè)計(jì)制備了鉻鈷基、鈷鋁基、鎂鐵基三種納米尖晶石型光催化材料，用不同金屬離子與之摻雜、用二氧化鈦與之復(fù)合制備摻雜的及復(fù)合的催化材料，目的是減少光生電子和光生空穴重新復(fù)合，拓寬光譜影響范圍，以充分利用光能，提高光催化的效率。通過TG-DTA、XRD、IR、UV-Vis SPS

2、、SEM、NH3-TPD和BET等表征手段對(duì)所制備的光催化材料的結(jié)構(gòu)和光化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，以光催化轉(zhuǎn)化CO2制備甲酸量為所制備材料的光催化性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)光催化轉(zhuǎn)化CO2工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化。
　　1.采用檸檬酸溶膠-凝膠法制備了納米尖晶石型CoCr2O4光催化材料，研究了焙燒溫度和焙燒時(shí)間對(duì)材料結(jié)構(gòu)及性能的影響；設(shè)計(jì)制備了CoCr2O4/TiO2復(fù)合催化材料，研究了焙燒溫度和焙燒時(shí)間以及復(fù)合摩爾比對(duì)催化材料結(jié)構(gòu)及性能的影響。進(jìn)一步

3、以Na+、Li+、K+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+、Al3+、Fe3+、La3+不同金屬摻雜的CoCr2O4催化材料，研究了一價(jià)、二價(jià)、三價(jià)不同金屬離子摻雜對(duì)CoCr2O4材料結(jié)構(gòu)及性能的影響，研究了摻雜量對(duì)CoCr2O4材料結(jié)構(gòu)及性能的影響。
　　研究結(jié)果表明：CoCr2O4在可見光區(qū)550～700 nm范圍內(nèi)有明顯的吸收峰，CoCr2O4的帶隙能為1.61 eV。當(dāng)反應(yīng)5 h時(shí)，CoCr2O4光催化還原C

4、O2制得甲酸的累積濃度為4.15mmol/g·cat。復(fù)合后的CoCr2O4/TiO2復(fù)合催化材料高于未復(fù)合的CoCr2O4的光催化性能，有利于電荷傳輸，拓展了光催化材料的光響應(yīng)范圍，復(fù)合光催化材料有效的降低了光生電子和光生空穴的復(fù)合幾率，光能的利用率大大得到了提高。CoCr2O4/TiO2-1/2-600表現(xiàn)出了較好的催化活性，當(dāng)還原反應(yīng)5 h時(shí)，光催化還原CO2制備甲酸的累積濃度為6.82mmol/g·cat，不同金屬離子摻雜 Co

5、Cr2O4光催化材料仍具有完整的CoCr2O4尖晶石型結(jié)構(gòu)。Na0.2Co0.8Cr2O4和Ni0.2Co0.8Cr2O4較之未摻雜的CoCr2O4發(fā)生了微小的晶格膨脹，Al0.2Co0.8Cr2O4相對(duì)于未摻雜的CoCr2O4發(fā)生了微小的晶格收縮。不同金屬元素A位摻雜制備的材料，光催化還原二氧化碳性能優(yōu)于 B位摻雜。摻雜量過高或過低，都會(huì)影響光催化轉(zhuǎn)化CO2活性。
　　2.采用檸檬酸溶膠-凝膠法制備了納米尖晶石型 CoAl2O4

6、光催化材料，設(shè)計(jì)制備了CoAl2O4/TiO2復(fù)合催化材料，研究了焙燒溫度和復(fù)合摩爾比對(duì)催化材料結(jié)構(gòu)及性能的影響。研究結(jié)果表明：CoAl2O4催化材料的平均粒徑為14.6 nm，在可見光區(qū)500～700 nm范圍內(nèi)有明顯吸收峰，CoAl2O4的帶隙能為1.68 eV。當(dāng)反應(yīng)5 h時(shí)，CoAl2O4光催化還原 CO2制甲酸累積濃度為3.63mmol/g·cat。復(fù)合催化材料 CoAl2O4/TiO2高于未復(fù)合的CoAl2O4的催化性能。焙

7、燒溫度為600℃、復(fù)合比為1/2時(shí)制備的CoAl2O4/TiO2-1/2-600復(fù)合催化材料表現(xiàn)出了較好的催化活性，復(fù)合后有效敏化，催化材料的吸附能力增強(qiáng)，比表面積增大，拓展了光響應(yīng)范圍，提高了光能的利用率，增加了產(chǎn)物甲酸的產(chǎn)量。
　　3.采用檸檬酸溶膠-凝膠法制備了納米尖晶石型MgFe2O4光催化材料，設(shè)計(jì)制備了MgFe2O4/TiO2復(fù)合催化材料，研究了焙燒溫度和復(fù)合摩爾比對(duì)催化材料結(jié)構(gòu)及性能的影響。研究結(jié)果表明：MgFe2O

8、4材料平均粒徑約為63.8 nm，微觀形貌為球形。MgFe2O4在可見光區(qū)400～620 nm范圍內(nèi)有明顯的吸收峰，帶隙能為2.07 eV。當(dāng)反應(yīng)5 h時(shí)， MgFe2O4光催化還原CO2制得甲酸累積濃度為3.36mmol/g·cat。MgFe2O4與TiO2復(fù)合的MgFe2O4/TiO2催化材料，高于未復(fù)合的MgFe2O4的催化性能，拓展了光響應(yīng)范圍，增加了比表面積，提高了光生電荷的分離效率，甲酸產(chǎn)量得到有效的提高。焙燒溫度為600℃

9、、復(fù)合比例為1/2時(shí)制備的MgFe2O4/TiO2-1/2-600材料具有最佳的光催化活性。
　　4．以檸檬酸和TiO2-P25為原料，經(jīng)浸漬-焙燒制備出C-TiO2光催化材料，C取代了TiO2晶格中的Ti原子，形成了Ti-O-C的結(jié)構(gòu)，摻雜C后，晶型未發(fā)生變化，由于C在價(jià)帶上方形成了新的能級(jí)，使TiO2禁帶能窄化，吸收邊發(fā)生紅移；擴(kuò)展了TiO2的光響應(yīng)范圍，提高了電子-空穴的分離效率，晶粒分布比較均勻，有利于電荷的傳輸，光催化活

10、性明顯提高。光催化還原二氧化碳生成的甲酸產(chǎn)量達(dá)到2.63 mmol/g-cat。
　　相同還原條件下光催化活性比較：CoCr2O4/TiO2＞CoAl2O4/TiO2＞MgFe2O4/TiO2＞C-TiO2＞TiO2。
　　5.研究催化材料光催化還原二氧化碳的性能，考察了不同催化材料用量、NaHSO3溶液的濃度、NaOH溶液的濃度、光照時(shí)間、燈源等因素對(duì)還原二氧化碳效果的影響，并通過正交實(shí)驗(yàn)確定了最佳還原工藝：催化劑用量為2