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《华侨大学》 2008年
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可见光响应的光催化K_2La_2Ti_3O_(10)纳米复合材料研究

黄昀昉  
【摘要】: 将太阳能转换为氢能是解决未来能源问题的理想方法之一,光催化技术是实现其转换过程最有希望的途径。具有层状结构的半导体光催化剂因其特有的空间结构优势已成为目前光催化研究领域最为活跃的方向之一。 本论文主要研究了超细层状K_2La_2Ti_3O_(10)光催化剂的制备,并通过金属离子和非金属离子的掺杂、柱撑、氧化物插层等方式对其进行改性,提高其光催化性能。通过理论计算,X射线衍射光谱、热谱、扫描电子显微镜、紫外-可见-红外光谱和荧光光谱表征,研究K_2La_2Ti_3O_(10)光催化剂的组成—结构—合成—性质之间的关系,探讨其反应机理和光催化活性,主要内容如下: 结合能带计算方法,如赝势法的第一原理计算方法,计算了K_2La_2Ti_3O_(10)的电子密度分布和能带结构等基态物理性质,其价带主要由O的2p轨道构成,导带主要由Ti的3d轨道构成,理论带隙ΔE≥3.2eV。 在温和的水热条件下,通过控制反应摩尔比、晶化温度和时间以及体系矿化剂浓度等重要因素,以Ti(O-iPr)_4、La_2O_3和KOH为原料合成了亚微米级的K_2La_2Ti_3O_(10)。水热法合成的K_2La_2Ti_3O_(10)粒径小、纯度高、比表面积大、能隙为3.72 eV,光催化活性是固相合成法的2倍多,其生长机理为基元模型。 采用硬脂酸法在1000℃下烧结2小时可生成纯的K_2La_2Ti_3O_(10)粒子,该法所制备的K_2La_2Ti_3O_(10)比表面积大,能隙为3.71 eV,其光催化活性接近固相合成法的3倍,通过表征,初步提出了反应历程。 将适量的过渡金属V、Nb、Ta掺杂于K_2La_2Ti_3O_(10)中,获得K_(2–x)La_2Ti_(3–x)M_xO_(10) (M = V, Nb, Ta; x = 0.0 ~ 1.0)系列的光催化剂。当掺杂浓度增加至一定值时,K_(2–x)La_2Ti_(3–x)M_xO_(10) (M = V, Ta; x = 0.8 ~ 1.0)体系由Ruddlesden-Popper (RP)相转变为Dion-Jacobson (DJ),而K_(2–x)La_2Ti_(3–x)Nb_xO_(10)体系由于Nb~(5+)的半径与Ti~(4+)相近,没有发生相转变。 研究了过渡金属M5+浓度对K_(2–x)La_2Ti_(3–x)M_xO_(10)能隙和催化活性的影响,当掺杂量为x = 0.1时获得最佳光催化效果。 通过湿化学法有效的N将掺杂到K_2La_2Ti_3O_(10)中,K_2La_2Ti_3O_(10)–xNx样品的吸收边向可见光方向发生红移,能隙降至3.44 eV,并对其形成机理做了初步的探讨。在紫外光辐照下K_2La_2Ti_3O_(10–x)N_x的产H2活性大于K_2La_2Ti_3O_(10)和TiO_2(P25),可见光照射下K_2La_2Ti_3O_(10–x)N_x的降解染料的催化活性要高于K_2La_2Ti_3O_(10)和TiO_2(P25)。 不同有机胺的预柱撑对层状H_2La_2Ti_3O_(10)的层间距有着较大的影响,采用分子链较长的有机胺柱撑对增大H_2La_2Ti_3O_(10)层间距和半导体的插入更有利。n-C_3H_7NH_2、n-C_4H_9NH_2、n-C_6H_(13)NH_2和n-C_9H_(19)NH_2柱撑后的H_2La_2Ti_3O_(10),其层间距分别可达到2.15纳米、2.53纳米、2.68纳米和3.15纳米。 通过酸交换和预柱撑的方法,将Pt、TiO_2、Fe_2O_3和CdS等客体有效地插入到H_2La_2Ti_3O_(10)的层间,且以粒径小于1纳米的状态存在于H_2La_2Ti_3O_(10)的层状空间,构建光催化纳米插层材料,光催化性能得到进一步提高。实验结果表明,以CH3OH作为空穴清除剂,每克H_2La_2Ti_3O_(10)/(Pt, TiO_2)在紫外光辐照下5小时光解水产H2达404微摩尔;Fe_2O_3和CdS插入到H_2La_2Ti_3O_(10)层间后所形成的层状纳米复合材料不仅在紫外光辐照下有较强的光催化活性,并且在可见光辐照下也有一定的光催化水活性,每克H_2La_2Ti_3O_(10)/(Pt, Fe_2O_3)在可见光照射下5小时光解水产H2达12微摩尔;CdS插入到H_2La_2Ti_3O_(10)的层间能有效地提高其抗光腐蚀的性能;光催化剂在光解水反应中存在一个最佳使用浓度,本实验条件下,当催化剂的用量为1克时,产H2量达到最大,当用量超过这一浓度时,产H2效率又会随着用量的增加而减小。
【学位授予单位】:华侨大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TB383.1;O643.36

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【引证文献】
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【同被引文献】
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