压电效应对光催化制氢的影响及其过程中载流子传输特性的研究

作     者：江亚伟 

作者单位：上海电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘永生

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：光催化制氢 压电效应 超声波空化 钛酸锶 钛酸锶钡 

摘      要：近年来,能源短缺问题持续升级,2021年下半年越来越多的城市开始施行限电政策。“碳中和,碳达峰上升到国家战略。能源与环保成为当今国际上最关键的两大问题。光催化分解水产生氢气,是将太阳能转化为化学能的一种清洁能源获取方式。由于其过程本身并无污染,太阳能取之不尽用之不竭,且氢气本身是一种高能量密度的能源,从水中来被消耗后又转换为水等众多优势,已经成为当今科研界的研究热点之一。将光催化与其他物理场相结合是提高光催化性能的有效途径。本文研究了压电效应对钛酸锶(STO)纳米粒子非均相光催化制氢的影响。发现由超声空化(声光催化)产生的压电效应对有或没有牺牲剂的非均相光催化制氢具有深远的影响。值得注意的是,STO的声光催化制氢与牺牲剂的粘度和超声振动器的位置有关。通过原位沉积Pt纳米粒子研究了声光催化性能变化的机制,发现它们在STO纳米粒子表面明显聚集。因此,超声空化将在STO的局部表面上建立压电电位,从而抑制光生载流子迁移到表面。此外,压电催化与光催化的耦合在污染物降解和水分解方面引起了极大的兴趣。然而,由于在反应过程中无法观察到纳米晶体的极化,电荷载流子传输特性仍不清楚。为了进一步探究压电催化的潜在机理,我们通过固相法制备了钛酸锶钡(BST)固溶体,并研究了离子掺杂对光催化活性和压电性的影响。通过水分解和染料降解来评估光催化和压电催化的耦合。压电催化的耦合导致了相反的效果,即光催化产氢的减少和光催化罗丹明B降解速率的增加。提出了可能的机理是H和各种自由基在催化剂上的不同吸附会影响压电势的方向,进而改变光生载流子的传输路径。