材料物理与化学专业优秀论文材料物理与化学专业优秀论文 钛基和铌基半导体光催化剂的制备钛基和铌基半导体光催化剂的制备及其性能研究及其性能研究关键词：钛酸钡关键词：钛酸钡 铌酸盐铌酸盐 纳米晶纳米晶 微波水热微波水热 半导体光催化半导体光催化摘要：随着资源过度开发和环境污染的加重，能源问题和环境问题成为当今世 界关注的主要问题。各种新技术、新思路不断涌现，试图从多种途径来解决这 些问题。 光催化利用光照使半导体光催化材料受到激发，从而在半导体的导 带和价带位置分别形成光生电子和空穴，光生电子和空穴被输运到催化剂表面 特定区域后，可以参与到水的光解反应或有机物的降解反应过程中。光催化能 够直接使水裂解为氢气和氧气产生清洁能源，或使有机物发生氧化分解生成二 氧化碳和水。因此与现有技术相比，光催化拥有不需要二次处理、可回收再利 用、成本较低、绿色无污染等优点。光催化作为能同时解决能源问题和环境问 题的绿色手段正日益受到人们的重视。 半导体光催化技术的核心是制备高效 的光催化材料，而理想的光催化材料应具有光吸收范围广、光能利用率高、稳 定性好、环境友好且成本低廉等特性。TiO2 是目前被研究和应用最多的半导体 光催化材料，其光能的转化效率高且制备工艺成熟。但由于带隙较宽（锐钛矿 为 32 eV） ，TiO2 只能被紫外光所激发，不能充分利用太阳能，在一定程度上 制约了半导体光催化技术的实际工业应用，所以开发新型高效半导体光催化材 料，提高光能转换效率和拓宽催化剂光相应范围成为目前光催化材料研究的热 点之一。 本文选择钛酸钡的微波水热法制备与掺杂、铌酸盐与铌钛酸盐的燃 烧法制备为主要内容，并以光降解有机染料亚甲基蓝（methylene blue）为表 征方式，探索新型光催化材料及其制备。本文的主要内容如下： 第一章介绍 了光催化的研究背景、原理与过程，光催化的改良与光催化的应用及钛酸盐和 铌酸盐光催化材料的研究进展，并在此基础上提出了本文的思路和研究计划。 第二章介绍了本文使用的合成用原料、仪器、表征方法和使用的光催化测试装 置。 第三章使用微波水热法得到了钛酸钡粉体。着重探讨了微波水热制备钛 酸钡的晶型，认为在碱性溶液中微波水热中得到的粉体，为假四方相。纯钛酸 钡在紫外-可见光与可见光两种辐照情况下降解速率都较低，原因是纯钛酸钡的 能带宽度较大，而且介电常数大不利于光吸收和电子空穴对的转移。采用将可 溶于碱性环境的铌加入到微波水热制备钛酸钡的前驱体溶液中的方法来制备铌 掺杂钛酸钡粉体。研究了不同掺杂浓度的钛酸钡粉体在紫外-可见光辐照下催化 降解亚甲基蓝的效果，由表观反应常数随掺杂浓度变化的曲线可知催化能力最 强的掺杂浓度在 1左右。 第四章使用柠檬酸盐燃烧法制备了铌酸盐 （MNb2O6，M=Zn，Mg，Ni，Co，Fe）光催化材料。其基本形貌为由直径在 3040nm 之间的小颗粒聚集而成的片状结构，这种结构的出现是由于柠檬酸盐 燃烧法的特性所决定的。使用拉曼光谱对其光吸收进行表征，通过降解亚甲基 蓝实验对其光降解能力进行表征，发现在紫外-可见光波段催化能力最好的为 NiNb2O6，其次为 Mg 和 Zn 的铌酸盐，而光吸收较好的 Fe 和 Co 的铌酸盐光催化 性能则不好，从漫反射谱得到其为间接带隙，复杂的能级结构影响了其光催化 性能。 第五章通过柠檬酸盐燃烧法制备了一些二价金属和三价镧系金属的铌 钛酸盐，研究了其光催化性能与光吸收的关系，初步探讨了其光催化产生差异 的原因。金属的铌钛酸盐相较于其铌酸盐能带宽度并无变化，而光吸收却得到了显著地增强，通过金属-金属间电荷转移理论（MMCT）解释了此现象。 第 六章对论文的研究工作进行了总结，并对今后的工作提出了一些想法与建议。正文内容正文内容随着资源过度开发和环境污染的加重，能源问题和环境问题成为当今世界 关注的主要问题。各种新技术、新思路不断涌现，试图从多种途径来解决这些 问题。 光催化利用光照使半导体光催化材料受到激发，从而在半导体的导带 和价带位置分别形成光生电子和空穴，光生电子和空穴被输运到催化剂表面特 定区域后，可以参与到水的光解反应或有机物的降解反应过程中。光催化能够 直接使水裂解为氢气和氧气产生清洁能源，或使有机物发生氧化分解生成二氧 化碳和水。因此与现有技术相比，光催化拥有不需要二次处理、可回收再利用、 成本较低、绿色无污染等优点。光催化作为能同时解决能源问题和环境问题的 绿色手段正日益受到人们的重视。 半导体光催化技术的核心是制备高效的光 催化材料，而理想的光催化材料应具有光吸收范围广、光能利用率高、稳定性 好、环境友好且成本低廉等特性。TiO2 是目前被研究和应用最多的半导体光催 化材料，其光能的转化效率高且制备工艺成熟。但由于带隙较宽（锐钛矿为 32 eV） ，TiO2 只能被紫外光所激发，不能充分利用太阳能，在一定程度上制 约了半导体光催化技术的实际工业应用，所以开发新型高效半导体光催化材料， 提高光能转换效率和拓宽催化剂光相应范围成为目前光催化材料研究的热点之 一。 本文选择钛酸钡的微波水热法制备与掺杂、铌酸盐与铌钛酸盐的燃烧法 制备为主要内容，并以光降解有机染料亚甲基蓝（methylene blue）为表征方 式，探索新型光催化材料及其制备。本文的主要内容如下： 第一章介绍了光 催化的研究背景、原理与过程，光催化的改良与光催化的应用及钛酸盐和铌酸 盐光催化材料的研究进展，并在此基础上提出了本文的思路和研究计划。 第 二章介绍了本文使用的合成用原料、仪器、表征方法和使用的光催化测试装置。第三章使用微波水热法得到了钛酸钡粉体。着重探讨了微波水热制备钛酸钡 的晶型，认为在碱性溶液中微波水热中得到的粉体，为假四方相。纯钛酸钡在 紫外-可见光与可见光两种辐照情况下降解速率都较低，原因是纯钛酸钡的能带 宽度较大，而且介电常数大不利于光吸收和电子空穴对的转移。采用将可溶于 碱性环境的铌加入到微波水热制备钛酸钡的前驱体溶液中的方法来制备铌掺杂 钛酸钡粉体。研究了不同掺杂浓度的钛酸钡粉体在紫外-可见光辐照下催化降解 亚甲基蓝的效果，由表观反应常数随掺杂浓度变化的曲线可知催化能力最强的 掺杂浓度在 1左右。 第四章使用柠檬酸盐燃烧法制备了铌酸盐 （MNb2O6，M=Zn，Mg，Ni，Co，Fe）光催化材料。其基本形貌为由直径在 3040nm 之间的小颗粒聚集而成的片状结构，这种结构的出现是由于柠檬酸盐 燃烧法的特性所决定的。使用拉曼光谱对其光吸收进行表征，通过降解亚甲基 蓝实验对其光降解能力进行表征，发现在紫外-可见光波段催化能力最好的为 NiNb2O6，其次为 Mg 和 Zn 的铌酸盐，而光吸收较好的 Fe 和 Co 的铌酸盐光催化 性能则不好，从漫反射谱得到其为间接带隙，复杂的能级结构影响了其光催化 性能。 第五章通过柠檬酸盐燃烧法制备了一些二价金属和三价镧系金属的铌 钛酸盐，研究了其光催化性能与光吸收的关系，初步探讨了其光催化产生差异 的原因。金属的铌钛酸盐相较于其铌酸盐能带宽度并无变化，而光吸收却得到 了显著地增强，通过金属-金属间电荷转移理论（MMCT）解释了此现象。 第 六章对论文的研究工作进行了总结，并对今后的工作提出了一些想法与建议。 随着资源过度开发和环境污染的加重，能源问题和环境问题成为当今世界关注 的主要问题。各种新技术、新思路不断涌现，试图从多种途径来解决这些问题。光催化利用光照使半导体光催化材料受到激发，从而在半导体的导带和价带 位置分别形成光生电子和空穴，光生电子和空穴被输运到催化剂表面特定区域 后，可以参与到水的光解反应或有机物的降解反应过程中。光催化能够直接使 水裂解为氢气和氧气产生清洁能源，或使有机物发生氧化分解生成二氧化碳和 水。因此与现有技术相比，光催化拥有不需要二次处理、可回收再利用、成本 较低、绿色无污染等优点。光催化作为能同时解决能源问题和环境问题的绿色 手段正日益受到人们的重视。 半导体光催化技术的核心是制备高效的光催化 材料，而理想的光催化材料应具有光吸收范围广、光能利用率高、稳定性好、 环境友好且成本低廉等特性。TiO2 是目前被研究和应用最多的半导体光催化材 料，其光能的转化效率高且制备工艺成熟。但由于带隙较宽（锐钛矿为 32 eV） ，TiO2 只能被紫外光所激发，不能充分利用太阳能，在一定程度上制约了 半导体光催化技术的实际工业应用，所以开发新型高效半导体光催化材料，提 高光能转换效率和拓宽催化剂光相应范围成为目前光催化材料研究的热点之一。本文选择钛酸钡的微波水热法制备与掺杂、铌酸盐与铌钛酸盐的燃烧法制备 为主要内容，并以光降解有机染料亚甲基蓝（methylene blue）为表征方式， 探索新型光催化材料及其制备。本文的主要内容如下： 第一章介绍了光催化 的研究背景、原理与过程，光催化的改良与光催化的应用及钛酸盐和铌酸盐光 催化材料的研究进展，并在此基础上提出了本文的思路和研究计划。 第二章 介绍了本文使用的合成用原料、仪器、表征方法和使用的光催化测试装置。 第三章使用微波水热法得到了钛酸钡粉体。着重探讨了微波水热制备钛酸钡的 晶型，认为在碱性溶液中微波水热中得到的粉体，为假四方相。纯钛酸钡在紫 外-可见光与可见光两种辐照情况下降解速率都较低，原因是纯钛酸钡的能带宽 度较大，而且介电常数大不利于光吸收和电子空穴对的转移。采用将可溶于碱 性环境的铌加入到微波水热制备钛酸钡的前驱体溶液中的方法来制备铌掺杂钛 酸钡粉体。研究了不同掺杂浓度的钛酸钡粉体在紫外-可见光辐照下催化降解亚 甲基蓝的效果，由表观反应常数随掺杂浓度变化的曲线可知催化能力最强的掺 杂浓度在 1左右。 第四章使用柠檬酸盐燃烧法制备了铌酸盐 （MNb2O6，M=Zn，Mg，Ni，Co，Fe）光催化材料。其基本形貌为由直径在 3040nm 之间的小颗粒聚集而成的片状结构，这种结构的出现是由于柠檬酸盐 燃烧法的特性所决定的。使用拉曼光谱对其光吸收进行表征，通过降解亚甲基 蓝实验对其光降解能力进行表征，发现在紫外-可见光波段催化能力最好的为 NiNb2O6，其次为 Mg 和 Zn 的铌酸盐，而光吸收较好的 Fe 和 Co 的铌酸盐光催化 性能则不好，从漫反射谱得到其为间接带隙，复杂的能级结构影响了其光催化 性能。 第五章通过柠檬酸盐燃烧法制备了一些二价金属和三价镧系金属的铌 钛酸盐，研究了其光催化性能与光吸收的关系，初步探讨了其光催化产生差异 的原因。金属的铌钛酸盐相较于其铌酸盐能带宽度并无变化，而光吸收却得到 了显著地增强，通过金属-金属间电荷转移理论（MMCT）解释了此现象。 第 六章对论文的研究工作进行了总结，并对今后的工作提出了一些想法与建议。 随着资源过度开发和环境污染的加重，能源问题和环境问题成为当今世界关注 的主要问题。各种新技术、新思路不断涌现，试图从多种途径来解决这些问题。光催化利用光照使半导体光催化材料受到激发，从而在半导体的导带和价带 位置分别形成光生电子和空穴，光生电子和空穴被输运到催化剂表面特定区域 后，可以参与到水的光解反应或有机物的降解反应过程中。光催化能够直接使 水裂解为氢气和氧气产生清洁能源，或使有机物发生氧化分解生成二氧化碳和水。因此与现有技术相比，光催化拥有不需要二次处理、可回收再利用、成本 较低、绿色无污染等优点。光催化作为能同时解决能源问题和环境问题的绿色 手段正日益受到人们的重视。 半导体光催化技术的核心是制备高效的光催化 材料，而理想的光催化材料应具有光吸收范围广、光能利用率高、稳定性好、 环境友好且成本低廉等特性。TiO2 是目前被研究和应用最多的半导体光催化材 料，其光能的转化效率高且制备工艺成熟。但由于带隙较宽（锐钛矿为 32 eV） ，TiO2 只能被紫外光所激发，不能充分利用太阳能，在一定程度上制约了 半导体光催化技术的实际工业应用，所以开发新型高效半导体光催化