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四种p-n复合型催化剂的合成及其光催化分解水制氢性能研究

作　者: 刘宗园
导　师: 王桂赟
学　校: 河北工业大学
专　业: 化学工艺
关键词: 光催化 分解水 制氢 半湿法 复合催化剂 CuAlO2 CuCrO2
分类号: TQ116.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


氢能作为一种洁净、高效、可再生能源，被认为是未来最有希望的能源之一。光催化分解水制氢以水为原料，以太阳能为能源，既环保，又不消耗有限的不可再生能源，是制备氢气较理想的方法。而光催化分解水制氢的关键是光催化剂的开发。制备p-n复合型催化剂，可有效促进光生电子、空穴的分离，提高光催化分解水制氢效率。以Al（NO3）3·9H2O和Cu（NO3）2·3H2O为原料，氨水作为Al3+的沉淀剂，经半湿法合成了CuAlO2。对样品进行了X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）及紫外-可见漫反射（UV-vis DR）表征分析，测试了CuAlO2的光催化产氢活性。结果显示，制得的CuAlO2结晶完整性较好，纯度较高，直接禁带宽度约为3.48eV。采用钨酸分解法制备了WO3，考察了焙烧温度和焙烧时间对其物理性能及光催化性能的影响，结果显示，钨酸经700℃焙烧3h合成的WO3具有较好的结晶完整性和较优的光催化性能，所得WO3的禁带宽度约为2.82eV。用机械研磨法制备了CuAlO2-WO3复合型催化剂，考察了复合比例、焙烧温度、焙烧时间，以及Ag和Ru负载对CuAlO2-WO3复合型催化剂光催化活性的影响，结果显示，CuAlO2-WO3的较优制备条件为，CuAlO2与WO3按摩尔比1:1进行复合，450℃焙烧3.5h；而以金属计，负载0.3wt%的Ag或Ru可使复合催化剂的活性进一步提高。采用化学沉淀法制备了ZnO，考察了前驱体焙烧温度和焙烧时间对其物理性能及光催化性能的影响，结果显示，前驱体经400℃焙烧3h合成的ZnO具有较好的结晶完整性和较优的光催化性能，所得ZnO的禁带宽度约为3.25eV。同样用机械研磨法制备了CuAlO2-ZnO复合型催化剂，考察了复合比例、焙烧温度、焙烧时间，以及Ag和Ru负载对CuAlO2-ZnO复合型催化剂光催化活性的影响，结果显示，CuAlO2-ZnO的较优制备条件为，CuAlO2与ZnO按摩尔比1:0.6进行复合，350℃焙烧3h；而以金属计，Ag和Ru负载量分别为0.5wt%和0.1wt%时，复合催化剂的活性得到进一步提高。以Cr（NO3）3·9H2O和Cu（NO3）2·3H2O为原料，以氨水为Cr3+沉淀剂，半湿法合成了CuCrO2，并借助XRD和热重-差示扫描（TG-DSC）的分析结果确立了前驱体在焙烧的过程中，含Cr物相的变化历程为Cr（OH）3→CuCrO4→CuCr2O4→CuCrO2。通过机械研磨的方法合成了CuCrO2-WO3和CuCrO2-ZnO复合型催化剂，并测试了复合催化剂的光催化活性，结果显示，CuCrO2-WO3和CuCrO2-ZnO可分解纯水放出氢气。考察了反应液pH值对CuAlO2-WO3和CuAlO2-ZnO光催化性能的影响，结果显示，CuAlO2-WO3的光催化活性在酸性条件下显著提高，而CuAlO2-ZnO在中性条件下活性最高。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章 文献综述  10-20
  1.1 前言  10-11
  1.2 p-n 复合型催化剂的研究进展  11-15
    1.2.1 已报道的 p 型和 n 型半导体光催化剂  12-13
    1.2.2 感应紫外光的 p-n 复合型催化剂  13-14
    1.2.3 感应可见光的 p-n 复合型催化剂  14-15
  1.3 p-n 复合型催化剂的制备方法  15-17
    1.3.1 浸渍法  16
    1.3.2 溶胶-凝胶法  16
    1.3.3 水热法  16
    1.3.4 机械研磨法  16-17
    1.3.5 光化学沉积法  17
  1.4 课题选题意义及主要研究内容  17-20
    1.4.1 课题选题意义  17-18
    1.4.2 课题研究内容  18-20
第二章 实验部分  20-26
  2.1 实验试剂与仪器  20-21
  2.2 催化剂的制备  21-23
    2.2.1 CuAlO_2的制备  21-22
    2.2.2 CuCrO_2的制备  22-23
    2.2.3 WO_3的制备  23
    2.2.4 ZnO 的制备  23
    2.2.5 p-n 复合型催化剂的制备  23
  2.3 催化剂的表征  23-24
  2.4 催化剂的活性评价  24-25
    2.4.1 活性测试方法与流程  24
    2.4.2 氢气和氧气的定量  24-25
  2.5 半导体禁带宽度计算方法  25-26
第三章 CuAlO_2-WO_3的合成及性能  26-38
  3.1 CuAlO_2的性能  26-28
  3.2 WO_3的合成研究  28-31
  3.3 CuAlO_2-WO_3的合成研究  31-36
    3.3.1 正交试验及结果  31-34
    3.3.2 CuAlO_2-WO_3的贵金属改性  34-36
  3.4 小结  36-38
第四章 CuAlO_2-ZnO 的合成及性能  38-48
  4.1 ZnO 的合成研究  38-41
  4.2 CuAlO_2-ZnO 的合成研究  41-45
    4.2.1 正交试验及结果  41-44
    4.2.2 CuAlO_2-ZnO 的贵金属改性  44-45
  4.3 小结  45-48
第五章 CuCrO_2的合成及其复合催化剂的光催化性能  48-56
  5.1 CuCrO_2的合成路径探讨  48-51
  5.2 CuCrO_2的形成过程  51-52
  5.3 p-n 复合型催化剂表征及其光催化分解水制氢性能研究  52-55
  5.4 小结  55-56
第六章 结论  56-58
参考文献  58-64
致谢  64-66
攻读学位期间所取得的相关科研成果  66

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 基本无机化学工业 > 工业气体 > 氢气
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