Ag与Ag2O共修饰增强TiO2光催化制氢性能研究开题报告

全文总字数：7686字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着社会生产力的发展,人类对能源的需求量日益增大，世界能源危机日益凸显，同时能源与环境平衡的问题也不容忽视。一方面，人类经济社会快速发展，使全世界能源消耗量增长迅速，各种能源资源日渐枯竭,现有能源不能满足未来不断增长的能源需求。另一方面，化石能源（如煤、石油、天然气等）的生产和消费过程中产生大量有毒有害气体和烟尘，严重污染环境，危害人类的生存和发展。因此，在能源危机和环境污染的双重压力下，各国科学家纷纷将研究的重点转向新型清洁能源的开发^{1, 2}。在各种新能源当中，氢能因其储量大、产热高、清洁无污染、来源广泛等优点受到各国科学家的青睐，被认为是21世纪最具发展潜力的能源³。目前获取氢能最常用的方法有天然气及重油催化转化法、生物产氢法、煤炭气化法、水电解法等，而这些方法都存在成本太大或者污染环境的缺陷。在各类制氢技术中，半导体光催化制氢技术具有利用太阳能、反应条件温和、能耗低、操作简便、减少二次污染等优势，成为一项具有巨大应用潜力的新型制氢技术⁴。因此，光催化分解水制氢的方法在众多获得氢能的途径中是较为理想的方法。

1972年日本东京大学fujishima等⁵人首次报道关于tio₂半导体光催化分解水产生氢气的现象，这一现象让人们认识到了利用光催化材料在光照的条件下制备氢气的可能性，从此半导体光催化分解水制氢引起了科学界的极大重视。在光催化制氢领域，可用作光催化制氢基体的材料有tio₂、cds、ta₃n₅、taon、c₃n₄ 等，其中tio₂具有性质稳定、环境友好、催化活性高、抗化学和光腐蚀等优点，是较为理想的一种光催化剂⁶。tio₂光催化制氢过程一般可分为三步⁷：首先是tio₂在光的照射下被激发，其价带中的电子跃迁到导带，而空穴保留在价带中，这个阶段为光源激发过程(步骤1)；光源激发后，激发态的光生电子和光生空穴在内部电场的作用下分离并快速迁移到光催化材料表面。这个阶段为电子转移过程(步骤2)；在tio₂材料表面，具有强还原性的光生电子会捕获溶液中的质子发生还原反应生成氢气，这个阶段为界面催化产氢过程(步骤3)。光催化制氢的总体效率取决于上述3个步骤的综合速率。这三步反应可用图1表示。

虽然tio₂具有许多优点，但存在着光激发产生的电子-空穴对极易复合和量子效率较低的问题⁸。因此科学家们针对tio₂进行了大量的改性研究，目前常用的改性方法有形貌控制⁹、离子掺杂¹⁰、半导体复合¹¹、助剂修饰¹²等,以上方法均有效地提升了tio₂光催化制氢性能，因此，发展各类改性方法，制备高效的半导体光催化制氢材料具有极其重要的研究意义。

2. 研究的基本内容与方案

1.具体实验步骤

1.TiO₂-C的制备

称取一定量的TiO₂置于坩埚中，将装有样品的坩埚放入马弗炉中，然后以5 ℃/min的速率升到550 ℃并煅烧2 h，冷却后取出坩埚,密封保存,样品标记为TiO₂-C。

2.TiO₂/Ag的制备

在室温条件下，在三颈瓶中将200 mg TiO₂粉末分散到80 mL甲醇溶液(10 vol%)中，持续磁力搅拌10 min，得到均匀分散的白色悬浊液；随后，在上述TiO₂悬浊液中缓慢滴加556 L 0.10 mol/L的AgNO₃溶液，持续磁力搅拌60 min，通氮气15 min，然后用4个低功率紫外光灯(3 W，365 nm)作为激发光源照射上述制得的悬浊液来触发Ag 的还原反应。照射60 min后，经过滤、洗涤并干燥(60 ℃)，得到深棕色的TiO₂/Ag复合光催化材料。样品标记为TiO₂/Ag(3 wt%)。重复以上步骤改加入186 L AgNO₃溶液(0.10 M)，制得样品标记为TiO₂/Ag(1 wt%)。

3.TiO₂/ Ag-AgO₂的制备

将80 mg TiO₂/Ag(3 wt%)颗粒放置于带有盖子的瓷舟中，放入马弗炉中加热，温度以10 ℃/min的速度上升至设定温度(300, 400 ℃)，保温0 h。煅烧结束后，立即从炉子中取出产品并密封，待其冷却至室温即得TiO₂/Ag-Ag₂O复合光催化材料，样品标记为TiO₂/Ag-Ag₂O(3,300,0)和TiO₂/Ag-Ag₂O(3,400,0)。将TiO₂/Ag(3 wt%)改为TiO₂/Ag(1 wt%)，重复以上步骤分别改变煅烧温度为200 ^oC、保温放置0 h，250 ^oC、保温放置0 h，300 ^oC、保温放置0 h，350 ^oC、保温放置0 h，400 ^oC、保温放置0 h，300 ^oC、保温放置2 h，400 ^oC、保温放置2 h，样品标记为TiO₂/Ag-Ag₂O(X），X分别为1,200,0、1,250,0、1,300,0、1,350,0、1,400,0、1,300,2、1,400,2。

2. 光催化制氢性能的测试

在100 mL平底三口烧瓶中加入50 mg光催化剂样品，用80 mL 25vol%的乙醇溶液作为牺牲剂溶解、分散50 mg的光催化剂样品，通入氮气15 min，除去反应器中的空气和水中溶解的氧。将反应体系密封后，以4个365 nm 的LED灯为光源，采用边搅拌边照射的方式进行光催化制氢反应。反应容器放置在距离光源1 cm的位置，每间隔30 min测一次氢气含量，至少测试120 min，直至产氢稳定。气相色谱仪型号为日本岛津GC-2014C，配置TCD检测器，载气为氮气，毛细管柱为5 分子筛。

3. 样品的表征

对TiO₂、TiO₂/Ag和TiO₂/Ag-Ag₂O样品采用XRD、SEM、TEM、XPS、UV-vis、PL进行表征和分析，分析助剂Ag和界面催化活性位点Ag₂O共修饰TiO_{2增强其光催化制氢性能的机理。}

_{制备样品如下：}

3. 研究计划与安排

第1-2周：与导师见面，查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需条件。确定方案，完成开题报告。

第3-4周：完成任务书和开题报告并准备实验仪器及药品，探索实验方法；

第5-11周：按研究方案开展实验，并结合实际情况进行优化和改进；

4. 参考文献（12篇以上）

1. 杜虹, 刘亚男, 申丛丛,等. 纳米异质结光催化剂制氢研究进展[j]. 催化学报, 2017, 38(08):1295-1306.

2. wang x f, liao d, yu h g, et al. highly efficient bivo₄ single-crystal photocatalyst with selective ag₂o-ag modification: orientation transport, rapid interfacial transfer and catalytic reaction[j]. dalton transactions, 2018, 47(18):6370-6377.

3. 赵永志, 蒙波, 陈霖新,等. 氢能源的利用现状分析. 化工进展[j]. 2015. 34(09):3248-3255.