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能源紧缺与环境污染问题是当今世界面临的两大难题。半导体光催化技术是涉及材料、物理和化学多学科交叉领域的新兴技术。该技术在光催化分解水制氢和光催化有机污染物降解方面具有巨大的应用前景,因而受到了世界范围内的广泛关注.在过去的30年里,半导体光催化研究领域取得了长足进展.然而,现有的光催化材料绝大多数仍为紫外光响应型材料.为了更有效地利用太阳能和人造光源,开发可见光响应型光催化材料成为了光催化技术得以广泛应用所必需解决的核心问题。铌系光催化材料ANbO3(A=Na和Ag)具有简单的结构和化学组成,合适的光学带隙,在光催化分解水制氢和光催化环境净化两方面均具有较大的开发潜力。本文将采用X射线衍射仪、X光电子能谱、扫描电镜、紫外可见分光光度计等分析手段系统地研究合成方法和形貌、能带结构、无机敏化和金属离子掺杂对铌系光催化材料的光催化性能的影响.旨在为进一步开发具有高量子效率的铌系光催化材料提供实验基础和理论指导。本研究主要内容如下：
⑴光催化剂的制备工艺严重影响其光催化性能。采用固相反应法、水热法和柠檬酸盐法合成了ANbO3粉末样品。光催化分解水实验研究结果表明,柠檬酸盐法合成的NaNbO3具有较好的光催化分解水性能.同时发现,NaNbO3的颗粒尺寸和形貌均影响其光催化水分解产氢性能,而其光催化分解纯水的性能主要由颗粒尺寸决定。对于最佳的光催化性能存在一个临界颗粒尺寸,大约是37nm.
⑵采用溶胶-凝胶法合成了AgNbO3粉末样品.光催化降解反应研究表明,在可见光照射下AgNbO3具有分解异丙醇的性能。进一步研究发现,其表面附着适量的Ag颗粒可以加速光生电子和空穴的分离,从而提高光催化的性能,并且还可以通过增大AgNbO3的比表面积来提高其降解有机物的性能。晶体表面微结构对光催化材料的催化性能有重要的影响。已有研究表明,晶体表面的棱角处容易发生催化反应。本文先合成形状可控的银颗粒然后再与水解铌源形成混合前驱体,并采用高温结晶成相的液相.固相两步法首次合成了具有台阶表面微结构的立方形貌的AgNbO3。与单步固相反应合成的AgNbO3相比,其光催化水分解出O2性能提高了4倍。
⑶制备固溶体是实现能带调控的主要手段之一。本文通过制备(AgNbO3)1-x(NaNbO3)x固溶体可以实现对AgNbO3价带位置的调整。光催化降解异丙醇的实验结果表明AgNbO3的价带位置影响其光催化降解性能。固溶体的合成方法对其光催化性能有重要的影响。利用柠檬酸盐法合成的固溶体(AgNbO3)1-x(NaNbO3)x粉末其合成原料对样品光催化降解性能有一定的影响。与以硝酸盐为原料相比,利用含碳材料为原料合成的样品具有更高活性光催化性能。与固相合成的样品相比,采用柠檬酸盐法合成的样品具有较大的比表面积和较高光催化活性。
⑷光敏化可以改善光催化材料的表面状况和电荷传输。H2PtCl6敏化(AgNbO3)0.7(NaNbO3)0.3降解气相异丙醇的实验结果表明,用H2PtCl6作为光敏剂可以显著提高(AgNbO3)0.7(NaNbO3)0.3的可见光光催化性能。掺杂改性是改善光催化材料体相性质的有效手段之一。掺杂物种类、掺杂方式和掺杂量都会影响光催化材料的性能。对La、Ba和In三种原子在AgNbO3的Ag位掺杂样品降解异丙醇性能的研究结果表明La掺杂有利于提高光催化性能。与以化合价平衡方式掺杂的Ag1-3xLaxNbO3相比,Ag1-xLaxNbO3中具有更高的光催化性能。