论文部分内容阅读
环境污染与能源危机是当今世界困扰人类的两大难题。光催化产氢被广泛认为是解决这两大难题的最有可能的解决方案之一。纳米结构的TiO2材料,由于其具有合适的电子能带结构,高光化学稳定性,大比表面积以及储量丰富,成为光催化分解水产氢催化材料的研究热点。本论文通过水热法制备TiO2混晶纳米复合材料,研究了制备工艺条件对混晶物相、形貌、微结构、发光、及负载铂助催化剂后产氢效率的影响,探讨影响光催化产氢效率的关键因素。主要研究结果如下:（1）二次水热法对混晶微结构和产氢性能的影响。通过水热法在不同酸性和温度条件下分别制备了锐钛矿（anatase）和金红石（rutile）单相的TiO2纳米粉体,并分别对不同晶相的TiO2进行了二次水热处理。二次水热的条件与一次水热的条件互补,生成具有混合晶相的纳米粉体,研究二次水热对TiO2纳米粉体光催化制氢性能的影响。研究结果表明,锐钛矿相TiO2单相纳米粉体进行二次水热后,与一次水热相比,光催化制氢效率提升了近5倍;而金红石相TiO2单相纳米粉体经过二次水热后,与一次水热相比,光催化制氢效率降低到之前的2/5。二次水热反应的酸性环境对催化剂的二次生长和所制备的粉末样品的光催化性能有决定性的影响。（2）一次水热法对混晶微结构和产氢性能的影响。通过控制一步水热过程中的盐酸浓度,制备出了由锐钛矿相纳米颗粒和金红石相纳米棒构成的二氧化钛“异质结”光催化剂。锐钛矿相的比例随盐酸浓度的增加而减少。研究结果表明,氢气产量随金红石比例的增加而变化的曲线出现了双峰结构。第一个峰位对应83.8%的锐钛矿相成份,产氢效率为54.3 mmol·g-1·h-1,其锐钛矿含量及相应产氢效率接近商业可购买的P25-TiO2纳米粉。第二个峰位对应12%锐钛矿相成分,产氢效率为74.4 mmol·g-1·h-1,远高于P25材料。通过对样品微观形貌和光致发光光谱的研究,发现这个双峰结构与锐钛矿/金红石异质结界面面积直接相关。此外,在金红石相含量为32.1%时对应于零界面面积。我们根据均相成核与异相成核原理,提出了一种界面生长机制来解释界面面积随盐酸浓度变化。这一研究成果为如何增加有效界面面积来提高光催化剂效率提供了理论依据和实验途径。