Pd/TiO2肖特基光催化剂的制备及其光催化甲酸脱氢性能研究

作     者：王秋 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈丰秋;程党国

授予年度：2024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：光催化甲酸脱氢 肖特基结 氨基修饰 介孔TiO2 Pd纳米颗粒 碳量子点 

摘      要：开发高效化学储氢材料对氢能的利用具有重要的现实意义,甲酸储氢技术是当前的研究热点之一。传统的热催化甲酸脱氢常常需要在较高的温度下进行,而光催化甲酸分解制氢可以在较低的温度下利用太阳能驱动反应。将金属Pd与半导体材料复合的肖特基光催化剂在光催化甲酸脱氢体系中应用最为广泛,这是因为肖特基异质结可以有效地促进光生电子与空穴的分离与转移。但是仍存在两个难点:一是Pd纳米颗粒在催化过程中不稳定,易迁移团聚,耐久性不强,导致催化效率急剧降低;二是太阳光的利用率低下。针对上述问题,本文使用介孔TiO2作为载体负载Pd纳米颗粒,通过调控介孔TiO2的表面性质,强化Pd纳米颗粒与载体之间的相互作用,实现Pd纳米颗粒的稳定均匀分散。然后,进一步引入第三方具有优异光学性能的组分,构筑三组分异质结,提升对可见光的吸收及光催化性能。主要研究内容及结果如下: (1)通过化学修饰的方法在TiO2表面引入氨基获得TiO2-NH2载体,采用一步还原法制备了 一系列Pd/TiO2-NH2肖特基光催化剂。表征结果表明,引入氨基之后,Pd纳米颗粒在TiO2上分散良好,具有较小的尺寸。与商用的P25二氧化钛相比,通过蒸发诱导自组装法合成的介孔TiO2具有更大的比表面积,这有利于氨基官能团的嫁接和活性Pd纳米颗粒的分散负载,进而提高了 Pd纳米颗粒对于光生电子的捕捉和电子空穴对的分离效率。并且由于介孔孔道的存在,使得光吸收不仅仅发生在TiO2表面,光在介孔中的反射和散射吸收可以有效提高光吸收能力。同时,介孔结构可以提高反应物传质速率,从而促进了光催化甲酸脱氢反应。在308 K的全光谱光照条件下,2 wt.%Pd/TiO2-NH2催化剂的TOF(1884.4 h-1)高于 2wt.%Pd/TiO2 和 2wt.%Pd/P25-NH2,同时是不加光条件下的 TOF(1493.6 h-1)的1.26倍,表现出不俗的析氢速率。 (2)通过水热反应成功地将碳量子点(CQDs)沉积在TiO2上,然后再进行氨基修饰和Pd纳米颗粒的负载,形成三组分异质结结构。表征结果表明,CQDs的存在增加了对可见光的吸收,这得益于CQDs优异的光学性质。另外,由于CQDs表面丰富的官能团存在,进一步减小了 Pd纳米颗粒的尺寸,增加了更多Pd活性位点。相比于Pd/TiO2-NH2,Pd/CQDs/TiO2-NH2复合材料表现出更好的电化学性能,这是因为CQDs和TiO2形成了异质结,可以有效促进光生电荷的分离,进而大大提高了光催化甲酸脱氢反应的速率。在308 K的可见光照条件下,Pd/CQDs-1/TiO2-NH2催化剂表现出更优异的光催化甲酸脱氢性能,其TOF(2666.1 h-1)远高于Pd/TiO2-NH2的,同时是不加光条件下的TOF(2317.2 h-1)的1.15倍,且稳定性良好。