新型光催化材料的形貌調(diào)控及其光解水制氫性能研究.pdf

1、能源危機和環(huán)境惡化是當(dāng)前人類社會所面臨的兩個重大問題，開發(fā)可持續(xù)利用的清潔能源是解決上述問題的有效途徑之一。氫能作為一種環(huán)境友好的清潔能源被認(rèn)為是可替代化石燃料的重要能源。其中光催化分解水制氫是一種重要的環(huán)境友好清潔能源制備技術(shù)。然而很多半導(dǎo)體光催化劑（例如TiO2，CdS）由于帶隙太寬、易發(fā)生光腐蝕以及量子效率低等原因使其光解水制氫效率不高。為了解決上述問題，人們相繼通過摻雜、表面改性、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)等途徑來試圖提高這些半導(dǎo)體材料的光催

2、化活性，但仍然存在諸如光響應(yīng)范圍窄、量子效率低等問題。此外，由于貴金屬可以有效地促進(jìn)電荷分離，大多數(shù)光解水實驗都需要貴金屬作為助催化劑，然而貴金屬成本很高，并不適合在實際生產(chǎn)中大規(guī)模使用。因此，光解水制氫的發(fā)展方向應(yīng)該是開發(fā)具有高效催化活性的新型光催化劑，在無貴金屬負(fù)載的條件下亦具備很好的光解水制氫性能。
　　由于光催化劑的形貌對光催化活性起著重要作用，因此形貌控制一直是研究熱點。近些年，光催化劑的形貌、晶相、電子壽命、能帶、電子

3、結(jié)構(gòu)、缺陷及表面態(tài)等方面的研究都得到了人們的廣泛關(guān)注。其中，具有低維結(jié)構(gòu)和特殊形貌的納米材料由于在很多領(lǐng)域都可以發(fā)揮卓越的性能而吸引了眾多的研究興趣。研究開發(fā)形貌、維度可控的微納米催化材料及低維半導(dǎo)體材料是提高光解水制氫效率的有效途徑。本論文采用不同的方法成功合成了具有特殊形貌和優(yōu)異光解水制氫性能的光催化劑，并深入探討了材料的制備機理、形貌的形成機理、材料的形貌和光催化活性之間的關(guān)系，為進(jìn)一步研究高效催化活性的新型催化劑材料提供理論支持

4、。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）研究發(fā)現(xiàn)特殊形貌磷酸鈦在無貴金屬作為助催化劑的條件下亦具有優(yōu)良的光解水制氫性能。磷酸的加入量對磷酸鈦的晶型及形貌起著重要的作用，通過調(diào)節(jié)磷酸的加入量，成功制備了具有不同維度的特殊形貌磷酸鈦，如一維纖維狀、二維片狀和三維花狀。并對其特殊形貌的形成機理以及光解水機理等進(jìn)行了深入分析。
　?。?）用低溫（120 oC）水熱法成功合成了具有非晶/晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的ZnO/TiO2復(fù)合光催化劑，其在無任何貴

5、金屬助催化劑時也可高效產(chǎn)氫。通過簡單的調(diào)整實驗參數(shù)可實現(xiàn)ZnO/TiO2復(fù)合催化劑的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)控。如調(diào)整鈦鋅比可使該復(fù)合催化劑的晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷非晶、非晶/晶體復(fù)合到晶體的轉(zhuǎn)變；調(diào)整pH值可成功控制非晶/晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非晶復(fù)合度，樣品的非晶復(fù)合度會隨著pH值的增加而增加；調(diào)節(jié)非晶復(fù)合度可以控制比表面積，樣品的比表面積隨著非晶復(fù)合度的增加而增加，當(dāng)非晶復(fù)合度最強時，樣品的比表面積可達(dá)到358 m2g-1，此時光解水制氫性能也是最高的。