TiO2纳米管多同质结的构筑及光催化分解水产氢性能研究

作     者：姜珊 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛晋波

授予年度：2022年

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

主      题：TiO2纳米管多同质结 梯度掺杂 内建电场 贵金属负载 光催化产氢 

摘      要：太阳能作为一种取之不尽的可再生能源,当前已成为日渐枯竭的传统化石燃料的完美替代;而氢能作为清洁能源在使用过程中不会对环境产生二次污染。实现太阳能与氢能二者转化可以成功解决当下面对的环境能源问题。光催化产氢技术的出现契合了研究者们的需求,光催化剂作为该技术的核心也受到了更多关注。然而光催化剂在实际反应过程中,仍不能满足高效的催化活性。在对催化剂的多种改性方式中,利用梯度掺杂构筑同质结的改性手段凸显出巨大优势。研究者们发现,采用梯度掺杂方式来改性半导体材料通常可以提高催化剂的光吸收效率和载流子分离及传输效率,这对光催化活性具有良好的调控作用。TiO是典型的传统光催化剂,因其化学性质稳定、无毒无害、成本低廉和具有合适的能带结构等优势,而成为理想光催化材料之一。但TiO用作光催化剂时,自身存在两大缺憾:其一为禁带宽度较大,导致对可见光的利用效率低;其二为电子空穴复合率极高,极大限制了光催化性能的提升,因此对TiO提出切实可行的改性策略迫在眉睫。基于上述研究背景,本文将梯度掺杂的改性方式引入到TiO光催化剂中,并通过表面负载贵金属来实现对材料光催化性能的进一步提升。(1)基于阳极氧化法制备了TiO纳米管阵列薄膜,结合电化学沉积法并利用高温退火保温作为驱动力实现了Ni在TiO纳米管中梯度扩散,从而制得了Ni浓度梯度掺杂TiO纳米管多同质结结构。通过对微观形貌、晶体结构和元素分布的分析证实了多同质结结构的成功构筑,并测得电化学沉积Ni时间为120 s的催化剂样品具有最优催化活性,其可见光下的析氢速率可达1.84 mmol g h。采用计算与表征测试相结合的方式探究了多同质结中梯度掺杂对催化剂内部能带结构的调控,继而通过一系列光电测试系统考察了梯度掺杂对载流子传输特性的作用,最终对光催化产氢活性提升的作用机理进行了探讨。(2)为了进一步提升催化剂载流子分离及传输效率并增加表面活性位点以促进材料表面反应发生,利用Ni梯度掺杂所引入氧空位的诱导作用,通过光还原法在TiO纳米管多同质结上负载不同含量的贵金属钯。实验结果表明,光还原法得到的Pd纳米颗粒尺寸为10-20 nm,分散于纳米管上。通过光催化析氢实验发现,光还原时间为120 s时催化剂表现出最佳催化性能,析氢效率可达5.16 mmol g h。继而采用一系列光电化学表征测试手段来探究不同含量的金属Pd与TiO载体间强相互作用对TiO纳米管多同质结光催化性能的影响,并对贵金属Pd增强TiO纳米管多同质结光催化性能的反应机理进行了深入研究。