表面氧空位提高钛酸锶光催化制氢性能研究

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SrTiO3作为一种典型的钙钛矿型(ABO3)半导体材料,具有催化效率高、抗光腐蚀性能优良、化学结构稳定、低成本且环境友好等优点,是一种很有前途的产氢光催化剂。然而光催化过程中,由于光生电子-空穴快速复合,SrTiO3的光催化效率受到限制。SrTiO3晶体结构稳定,氧的结合能比较高,氧空位极难生成。目前SrTiO3得到氧空位的条件十分苛刻,需要在还原气氛或高真空下高温(一般需要800℃以上)煅烧,或高真空下Ar+离子束溅射生成氧空位,限制了实际应用。因此,需要开发低成本、反应条件温和的SrTiO3氧空位制备方法。本工作采用混合溶剂热法(乙二醇-水)制备出了SrTiO3纳米片,利用Pt或Ni的氢溢流效应在SrTiO3的表面低温可控生成了氧空位,促进了光生电子的转移,有效促进光生电子-空穴的分离,从而提升SrTiO3的光催化制氢性能。主要研究工作可分为以下两部分:第一部分:通过光沉积法将Pt负载在SrTiO3的表面得到Pt/STO样品,Pt/STO在N2-H2混合气中煅烧,利用Pt的氢溢流效应,将氢气分子吸附解离为具有更高还原性的氢原子,低温下在Pt/STO表面获得了氧空位。研究表明:Pt/STO在150℃煅烧3 h即可得到表面氧空位;400℃煅烧,表面氧空位含量增多,SrTiO3的表面形成薄的无序层;600℃煅烧,部分表面氧空位转移到晶格内部形成体相氧空位。随着煅烧温度的升高,Pt/STO的活性增强,在400℃时达到最大值,在400℃制备的Pt/STO-400-3产氢量约为Pt/STO的3倍,在600℃下制备的Pt/STO-600-3的活性显着低于在400℃下的活性,说明表面氧空位提高SrTiO3的光催化制氢性能,而体相氧空位不利于光催化制氢。第二部分:通过浸渍法将Ni负载在SrTiO3的表面、氢还原得到Ni/STO样品,利用Ni的氢溢流效益同样可生成氧空位,提高SrTiO3的光催化活性。并发现Ni的负载量会影响活性,Ni的最佳负载量为1 wt%,过高和过低的负载量都会使光催化活性降低。另外,反应体系的pH也是光催化过程的重要影响因素,碱性条件下有利于葡萄糖电离为C6H11O6-,能更有效地捕获光生空穴(h+),有利于光催化产氢,本反应体系的最佳pH=12。
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