鈦基和鈮基半導(dǎo)體光催化劑的制備及其性能研究.pdf

1、隨著資源過度開發(fā)和環(huán)境污染的加重，能源問題和環(huán)境問題成為當(dāng)今世界關(guān)注的主要問題。各種新技術(shù)、新思路不斷涌現(xiàn)，試圖從多種途徑來解決這些問題。 光催化利用光照使半導(dǎo)體光催化材料受到激發(fā)，從而在半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶位置分別形成光生電子和空穴，光生電子和空穴被輸運到催化劑表面特定區(qū)域后，可以參與到水的光解反應(yīng)或有機物的降解反應(yīng)過程中。光催化能夠直接使水裂解為氫氣和氧氣產(chǎn)生清潔能源，或使有機物發(fā)生氧化分解生成二氧化碳和水。因此與現(xiàn)有技術(shù)相比

2、，光催化擁有不需要二次處理、可回收再利用、成本較低、綠色無污染等優(yōu)點。光催化作為能同時解決能源問題和環(huán)境問題的綠色手段正日益受到人們的重視。 半導(dǎo)體光催化技術(shù)的核心是制備高效的光催化材料，而理想的光催化材料應(yīng)具有光吸收范圍廣、光能利用率高、穩(wěn)定性好、環(huán)境友好且成本低廉等特性。TiO2是目前被研究和應(yīng)用最多的半導(dǎo)體光催化材料，其光能的轉(zhuǎn)化效率高且制備工藝成熟。但由于帶隙較寬（銳鈦礦為3．2 eV），TiO2只能被紫外光所激發(fā)，不能

3、充分利用太陽能，在一定程度上制約了半導(dǎo)體光催化技術(shù)的實際工業(yè)應(yīng)用，所以開發(fā)新型高效半導(dǎo)體光催化材料，提高光能轉(zhuǎn)換效率和拓寬催化劑光相應(yīng)范圍成為目前光催化材料研究的熱點之一。 本文選擇鈦酸鋇的微波水熱法制備與摻雜、鈮酸鹽與鈮鈦酸鹽的燃燒法制備為主要內(nèi)容，并以光降解有機染料亞甲基藍(lán)（methylene blue）為表征方式，探索新型光催化材料及其制備。本文的主要內(nèi)容如下： 第一章介紹了光催化的研究背景、原理與過程，光催化的改

4、良與光催化的應(yīng)用及鈦酸鹽和鈮酸鹽光催化材料的研究進展，并在此基礎(chǔ)上提出了本文的思路和研究計劃。 第二章介紹了本文使用的合成用原料、儀器、表征方法和使用的光催化測試裝置。 第三章使用微波水熱法得到了鈦酸鋇粉體。著重探討了微波水熱制備鈦酸鋇的晶型，認(rèn)為在堿性溶液中微波水熱中得到的粉體，為假四方相。純鈦酸鋇在紫外-可見光與可見光兩種輻照情況下降解速率都較低，原因是純鈦酸鋇的能帶寬度較大，而且介電常數(shù)大不利于光吸收和電子空穴對的

5、轉(zhuǎn)移。采用將可溶于堿性環(huán)境的鈮加入到微波水熱制備鈦酸鋇的前驅(qū)體溶液中的方法來制備鈮摻雜鈦酸鋇粉體。研究了不同摻雜濃度的鈦酸鋇粉體在紫外-可見光輻照下催化降解亞甲基藍(lán)的效果，由表觀反應(yīng)常數(shù)隨摻雜濃度變化的曲線可知催化能力最強的摻雜濃度在1‰左右。 第四章使用檸檬酸鹽燃燒法制備了鈮酸鹽（MNb2O6，M=Zn，Mg，Ni，Co，F(xiàn)e）光催化材料。其基本形貌為由直徑在30～40nm之間的小顆粒聚集而成的片狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是由于檸

6、檬酸鹽燃燒法的特性所決定的。使用拉曼光譜對其光吸收進行表征，通過降解亞甲基藍(lán)實驗對其光降解能力進行表征，發(fā)現(xiàn)在紫外-可見光波段催化能力最好的為NiNb2O6，其次為Mg和Zn的鈮酸鹽，而光吸收較好的Fe和Co的鈮酸鹽光催化性能則不好，從漫反射譜得到其為間接帶隙，復(fù)雜的能級結(jié)構(gòu)影響了其光催化性能。 第五章通過檸檬酸鹽燃燒法制備了一些二價金屬和三價鑭系金屬的鈮鈦酸鹽，研究了其光催化性能與光吸收的關(guān)系，初步探討了其光催化產(chǎn)生差異的原因