论文部分内容阅读
通过半导体光催化分解水制氢,将太阳能转化为储存和使用方便、清洁、可再生的氢能,已经成为目前研究的热点。光催化制氢性能评价装置是光解水制氢研究的基础,而设计并制备出高效、稳定的半导体光催化剂是光解水制氢研究的关键。铌酸钾纳米管因具有表面活性位点多,光生电子／空穴分离容易,易于被改性等特点,在光催化还原水制氢中具有潜在的应用前景。本论文利用改进的方法制备了铌酸钾纳米管。进而通过自制的光催化还原水制氢及装置评价了铌酸钾纳米管的光催化活性。研究了铌酸钾前驱体的制备方法、铌酸钾的形貌、牺牲剂以及助催化剂的种类、pH值等对铌酸钾纳米管光催化还原水制氢性能的影响。主要内容如下：自制了一套操作简便、光源切换方便、气密性好、氢气检测灵敏度高且数据处理方便的光催化还原水制氢及性能评价装置。以固相法合成的铌酸钾颗粒为前驱体,通过一种条件温和、周期相对较短的方法制备并通过分级得到管形完整、管径分布窄、长径比大的铌酸钾纳米管。通过XRD、TEM、BET、固体漫反射紫外可见吸收光谱等手段对其结构及光学性质进行了表征。采用光还原法在铌酸钾纳米管表面沉积贵金属Pt,通过荧光光谱考察了Pt的负载量对铌酸钾纳米管光生电子／空穴分离的影响。考察了铌酸钾的形貌、牺牲剂的种类、Pt的负载量以及反应液pH值对铌酸钾纳米管光催化还原水制氢性能的影响。结果表明,管形完整、长径比大的铌酸钾纳米管更利于光催化还原水制氢,负载1.5wt%Pt的铌酸钾在pH=3的甲醇溶液中活性最高,产氢速率可达到18.77mmol-g-1·h-1。以低温水热法制备了铌酸钾颗粒,并以此为前驱体,采用改进的方法,制备了铌酸钾纳米管。通过XRD、TEM、BET、固体漫反射紫外可见吸收光谱对其结构及光学性质进行了表征。考察了牺牲剂的种类以及反应液中金属离子的种类和含量对铌酸钾纳米管光催化还原水制氢性能的影响。结果表明,以甲醇为牺牲剂铌酸钾纳米管具有最佳的制氢活性。在甲醇水溶液中存在Cu2+时,反应初始阶段存在一个诱导期,诱导时间随Cu2+量的增大而延长。诱导期过后,铌酸钾纳米管产氢速率相对于不存在Cu2+时有极大的提高,这是因为在诱导期内,反应液中的Cu2+捕获光生电子,生成单质Cu沉积于铌酸钾纳米管表面,起到了助催化剂的作用。当Cu/铌酸钾纳米管质量比为3 wt%时,其光催化还原水制氢活性最高,产氢速率达到21.90mmol·g-1·h-1,可与贵金属Pt为助催化剂时铌酸钾纳米管的产氢速率相媲美。而在甲醇水溶液中存在Fe3+时,由于发生了Fe3+和Fe2+之间的相互转化,消耗了光生电子,从而使光生电子无法与水发生氧化还原反应使得铌酸钾纳米管失去了还原水制氢的活性。