金属氧化物（光）电催化水氧化反应制备过氧化氢的研究

作     者：谢银琼 

作者单位：重庆师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘玺;郭文龙

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：水氧化反应 过氧化氢 金属离子掺杂 异质结 Sb2O3 BiVO4 

摘      要：过氧化氢(HO)是现代工业中最重要的化学品之一,其年消耗量高达400万吨。在众多的HO合成方法中,基于双电子水氧化反应(2e-WOR)的(光)电催化是一种可持续的替代方法,对于解决日益增长的HO需求和市场与当今工业生产方法不可持续性之间的矛盾具有重要意义。但是,水氧化过程涉及多电子转移和多条反应路径,这就需要设计和开发高效的催化剂通过双电子途径选择性地将水氧化为HO,构建一个高效生产和积累HO的电解池。金属氧化物半导体材料因其资源丰富、稳定性好、成本低,合成简单等优点成为催化剂的候选者。对金属氧化物进行掺杂、晶型调控,构建异质结等是提高催化剂催化活性的有效策略。本文对三氧化二锑(SbO),钒酸铋(Bi VO)进行改性修饰,以提高其(光)电催化双电子水氧化反应的选择性。SbO作为2e-WOR的潜在电催化剂,存在立方型和正交型两种不同的晶型。这两种晶型的表面原子结构排列不同,理论上会导致对2e-WOR的选择性不同。通过在水热反应中改变溶剂,合成了立方型和正交型SbO,并对其产HO性能进行了系统的测试和比较。结果表明,立方型SbO比正交型SbO具有更高的HO法拉第效率和产生速率。此外,选取立方型SbO的(222)晶面和正交型SbO的(121)晶面作为晶面模型,通过密度泛函理论计算表明,立方型SbO的主要特征面比正交型SbO的主要特征面更有利于2e-WOR的热力学反应。选取Cr、In、Sb三种金属离子作为掺杂元素,以替代Bi VO晶格中部分Bi离子,以期提高Bi VO对2e-WOR的选择性。采用旋涂法制备掺杂不同浓度、不同种类金属离子(Cr、In、Sb)的钒酸铋薄膜,并系统探究其电催化氧化水产HO性能。实验结果表明,掺杂Cr可以提高Bi VO的电流密度,其中3%Cr:Bi VO在3.08 V ***偏压下的电流密度约为29 m A/cm;掺杂In和Sb可以提高Bi VO对双电子水氧化反应的选择性。前期工作表明,SbO是一种有潜力的产HO催化剂。采用溶剂热法-旋涂法构建了SbO/Bi VO/WO半导体异质结。在1.23 V ***电位下,Bi VO/WO的光电流密度相对于Bi VO提高了2倍。进一步复合SbO之后,虽然SbO/Bi VO/WO薄膜的光电流密度有所下降,但其光电催化产HO的法拉第效率和产生速率得到明显提升。在1.89 V ***电位下,3c-SbO/Bi VO/WO薄膜产HO法拉第效率提高到约19%;1c-SbO/Bi VO/WO薄膜HO产生速率从约2.1μmol/h/cm提高到约3.6μmol/h/cm。此外,SbO的复合显著提高了Bi VO/WO电极材料的光电催化稳定性。