NaTaO3基光催化材料的优化设计及光热催化CO2还原性能的研究

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光催化转化CO2是同步解决全球变暖和能源短缺的前景策略。NaTaO3具有较高的电子-空穴分离效率、较强的还原能力和稳定性、晶体结构容忍度大等优势受到广泛关注。但NaTaO3的带隙较宽,可见光催化转化CO2的效率很低。在光催化基础上辅以热能,可以提速光催化转化CO2的速率。同时,基于NaTaO3构筑缺陷及表面修饰可以拓宽可见光响应范围,诱导可见光催化转化CO2。因此,围绕NaTaO3设计光热响应型材料有望成为高效催化转化CO2的有效途径。为此,本论文通过构筑氧缺陷及表面负载金属铋的手段,形貌修饰结合光致热及外部辅热协同优化NaTaO3光催化CO2还原的活性,显著提升了NaTaO3的光催化性能,为高效的CO2还原催化剂的设计提供了参考,研究内容如下:(1)氧缺陷型NaTaO3光热催化CO2还原性能的研究:水热法制备形貌规则的NaTaO3纳米立方体,N2气氛下对NaTaO3进行不同温度的退火处理,引入不同浓度的氧缺陷。结构表征证实氧缺陷含量随退火温度的升高而增加,光吸收范围明显拓宽至可见光区。光和光热催化结果表明:构筑氧缺陷可以明显提升NaTaO3的催化性能。其中500℃处理的样品光热催化CO2还原为CO的产量是未处理NaTaO3光还原的51.2倍。与光催化相比,热的引入可以明显提升NaTaO3的催化产量。并且,氧缺陷的引入增强了NaTaO3的光热协同效应,加速了载流子的分离和转移,进而提升了NaTaO3纳米立方体CO2光还原为CO的性能。(2)Bi/NaTaO3异质结光热催化CO2还原性能的研究:通过简单的两步法,以NaBH4为还原剂,将Bi4TaO8Cl在N2气氛下热还原,得到较纳米立方体的电子转移路径更短的NaTaO3纳米片结构,同时在NaTaO3表面实现了金属Bi和氧缺陷双修饰的复合材料异质结。该复合材料具有较单一NaTaO3更宽的光吸收范围、更强的光致热效应并且表现出额外的金属表面等离子体共振(SPR)效应。通过光热催化CO2还原研究发现,不同的光照模式下,双修饰型复合材料的电子转移方式不同,对还原产物的选择性也不同。可见光下光热催化更有利于多电子转移及CH4的产生。金属Bi和氧缺陷的存在促进了NaTaO3的电子转移过程,为CO2还原光催化剂的设计及高附加值碳产物的合成提供了新的研究方向。
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