基于Ag,Cu等离子共振效应TiO2(B)光催化材料的制备及催化性能研究

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社会的快速发展,人类对于能源的需求量呈指数倍的增长。化石燃料的过度使用,造成大量的温室气体的产生,这就导致了能源短缺的问题和环境问题日益严重。把CO2通过光催化反应转化为高附加值的的碳氢化合物,如CO、CH4、CH3OH、C2H5OH等,是化学化工领域中极具有挑战性的研究之一。TiO2(B)具有带隙窄、无毒无害和成本低,因此被广泛用于光催化领域。然而,TiO2(B)的电子寿命短的缺点,导致光催化的活性低,因此对TiO2(B)进行修饰来提高其光催化性能。1.以P25为前驱体,采用水热法制备TiO2(B),采用了具有表面等离子共振效应(SPR)的贵金属Ag作为助催化剂,并通过浸渍法和H2还原法得到不同比例的复合光催化剂Ag-TiO2(B)应用于CO2和H2O反应的反应体系中,从而考察含量不同的Ag对反应活性的影响。结果表明:x Ag-TiO2(B)样品呈带状纳米结构,与TiO2(B)进行对比并没有十分明显的差别。随着Ag负载的量逐渐增加,反应产物CO和CH4的产量均呈现先升高后下降的趋势。在模拟太阳光照射3 h后,光催化效果最好的是1%Ag-TiO2(B)催化产物CO和CH4产量达到564和100μmol/g,分别是TiO2(B)催化剂产量的3.8和2.5倍。2.为了能够进一步的提高催化剂的反应活性,选取能增强CO2吸附的碱性金属Cu对TiO2(B)催化剂进行修饰。并且研究了1%Ag/x Cu-TiO2(B)复合型光催化剂对CO2和H2O反应中活性的影响。结果显示,1%Ag/0.5%Cu-TiO2(B)复合催化剂的催化活性最高,经过3h光照后生成的CO和CH4的产率分别高达860和410μmol/g。此外,还把催化效果最好的1%Ag/0.5%Cu-TiO2(B)三元催化剂,通过各种表征进一步研究了Cu和Ag之间的协同效应。UV-Vis DRS表明了x Ag/x Cu-TiO2(B)复合型光催化剂能够增强紫外和可见光的吸收,且Ag纳米颗粒具有SPR效应;同时PL光谱分析和光电化学测试都表明Cu和Ag的加入可以有效地提高光生电荷载流子的分离效率和存在时间;CO2-TPD测试则显示CO2的有效吸附主要发生在Cu纳米颗粒的表面处,而表面正是光生电子和活化吸附后的CO2反应的活性位点。通过实验和表征结果都清楚的表明了Ag和Cu的共修饰显著提高了TiO2(B)的光催化活性,表明Ag和Cu之间存在较好的协同效应。本论文提供一种采用碱性金属Cu和具有SPR效应的金属Ag共修饰的有效方法来对传统的TiO2(B)光催化剂进行改性,对CO2进行光催化还原极有实际应用前景。
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