尖晶石型CuM2O4(M=Fe,Co,Cr)的制备及光催化产氢活性的研究

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分别合成了尖晶石型CuFe2O4、CuFeCoO4及CuCr2O4/TiO2纳米光催化剂,并对其进行金属离子掺杂、卤离子掺杂及贵金属Ag负载等改性。利用热重-差热分析(TG-DTA)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见光漫反射光谱(UV-Vis DRS)及荧光光谱分析(FS)等对所制备的光催化剂进行了表征。在模拟太阳光照射下,对所合成的光催化剂的光解水产氢性能进行了考察。(1)分别应用固相法、共沉淀法及柠檬酸辅助溶胶-凝胶法合成了CuFe2O4光催化剂,均具有良好的光催化产氢活性(固相法:0.67 mmol·h-1·gcat-1;共沉淀法:0.80 mmol·h-1·gcat-1;溶胶-凝胶法:1.03 mmol·h-1·gcat-1)。考察了牺牲剂的类型与浓度、溶液的pH值、催化剂的焙烧温度与浓度及光照时间等条件对柠檬酸辅助溶胶-凝胶法所得CuFe2O4催化剂可见光催化活性的影响。当以草酸为牺牲剂、初始草酸浓度为0.05 M、光催化剂浓度为1.0 g·L-1及焙烧温度为700℃时,得到最佳产氢活性为1.72 mmol·h-1·gcat-1。CuFe2O4光催化剂在重复光照40 h后无明显的降解,产氢活性比较稳定。(2)应用柠檬酸辅助溶胶-凝胶法合成了CuCoxFe2-xO4光催化剂,考察了钴含量x值及焙烧温度对可见光产氢活性影响,当x=1及焙烧温度为800℃时得到最佳产氢活性为2.46 mmol·h-1·gcat-1。产氢实验结果还表明,适量地掺Y和掺F能够在催化剂中形成缺陷,促进光生电子.空穴的分开,提高CuCoFeO4的产氢活性。最佳掺Y浓度和掺F浓度分别为4%和7%,此条件下的产氢活性(2.77mmol·h-1·gcat-1)比未掺杂时(2.46 mmol·h-1·gcat-1)提高了12%。(3)应用柠檬酸辅助溶胶-凝胶法合成了p-n型CuCr2O4/TiO2异质结催化剂,并考察了nCuCr2O4:nTiO2、焙烧温度及催化剂浓度等对CuCr2O4/TiO2异质结的可见光产氢活性的影响。研究表明,最佳的nCuCr2O4:nTiO2、焙烧温度及催化剂浓度分别为0.7、500℃及0.80 g·L-1,此条件下的产氢活性为449μmol·h-1。研究还表明,适量的Y掺杂及Ag负载均能较好地促进光生电子-空穴的分开与转移,提高CuCr2O4/TiO2异质结的可见光产氢活性。最佳的Y掺杂量及Ag负载量分别为7%(相对Cr)及1.3wt%,此条件下的产氢活性为506μmol·h-1。同时还探讨了Ag负载Y掺杂CuCr2O4/TiO2异质结复合光催化剂可能的光催化机理。
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