具有增强性能的纳米光/电催化剂的绿色合成法及其性能研究

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当今世界，能源和环境问题是人类面临的重大挑战。随着工业的快速发展，能源短缺和环境污染是全球各国共同面临的问题。目前化石能源仍然是开发和消耗最多的能源，一方面化石能源是不可再生能源，过度使用会造成能源枯竭；另一方面化石能源的使用排放大量的污染物，引起诸多环境问题。因此，开发清洁的新能源和解决当前环境问题成为迫切需要。
　　自从1972年日本科学家发现二氧化钛电极能够光分解水产生氢气，半导体光催化技术被认为是解决世界能源危机的重要技术。半导体光催化技术既能够利用丰富的太阳能分解水产氢，也能够降解有机污染物、还原二氧化碳，这对全球新能源开发和环境治理有重要的意义。
　　本文立足于二氧化钛的光催化机理，灵活运用光沉积法分别制备出电催化剂和光催化剂，并测试了相应的电催化性能和光催化性能。文章主要研究内容和结果如下：
　　(1)我们以二氧化钛纳米颗粒(P25)作为光催化剂和模板，用高压汞灯发射的紫外光作为反应的光源，通过光还原氯铂酸使得铂纳米颗粒被沉积到二氧化钛表面。随着光照时间延长，铂纳米颗粒生长成铂纳米枝，包裹在二氧化钛的边缘棱上，从而形成了笼状结构的雏形。再用硫酸处理上述产物，使得二氧化钛模板被完全刻蚀，笼状铂纳米粒子即被制备。通过高分辨透射电镜表征，发现构成笼状铂的纳米枝宽度约为3 nm，纳米枝之间相互分离，枝连枝后形成“笼”。结合高分辨透射电镜并采用快速傅里叶变换确认笼状铂的纳米枝属于单晶，纳米枝沿着<111>晶向生长，其晶格间距为0.23 nm，对应面心立方铂的(111)晶面。XRD表征进一步确认了笼状铂纳米粒子属面心立方铂相。然后基于半导体光催化机理，我们探究了光催化模板发制备笼状铂纳米粒子的机理。最后测试了笼状铂纳米粒子在酸性电解质中对甲醇氧化的电催化性能，数据显示其质量比活性约为商业铂黑的4倍，稳定性也优于商业铂黑，这使得它们有望作为直接甲醇燃料电池的阳极催化剂。
　　(2)采用与(1)类似的光沉积法，以氯化铜为前驱体，二氧化钛纳米粒子为载体，再通过后续干燥过程制备出Cu2O/TiO2复合纳米颗粒。通过TEM、EDX、XRD等分析表明负载于二氧化钛表面的氧化亚铜纳米粒子粒径约为3 nm，尺寸均一且高度分散。通过对反应体系的上层清液进行紫外-可见吸收光谱分析，表明紫外光还原氯化铜反应是逐步还原过程。Cu2O/TiO2复合纳米颗粒的紫外-可见漫反射光谱确定了其光响应范围由紫外光区域扩展至可见光区域，从而为可见光作为光源光催化降解罗丹明B提供理论依据。最后测试了Cu2O/TiO2复合纳米光催化剂在可见光下对罗丹明B的降解效率，结果显示铜负载量为20％的Cu2O/TiO2对罗丹明B降解率可达到96%，远高于P25(约为26%)。这表明二氧化钛通过与氧化亚铜复合，能有效提高对罗丹明B的光催化降解效率。

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作者
施海波;
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作者单位

浙江理工大学;

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授予单位浙江理工大学;
学科材料学
授予学位硕士
导师姓名王晟;
年度 2016
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类催化剂制备工艺;
关键词
电催化剂; 光催化剂; 光沉积法; 催化活性;

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