非金属掺杂与纳米多孔WO<,3>的制备及其光解水活性研究
本文通过固相烧结法和阳极氧化法分别制备了F、S非金属掺杂WO3粉体光催化剂和具有结构与形貌差异的WO3纳米多孔薄膜,并对其结构和光催化性能进行表征。
非金属掺杂通过影响WO3粉体光催化剂的W5+和氧空位含量以及晶粒尺寸等而改变其光吸收性能和电子传输性能,从而提高其光催化活性。在以Fe3+为牺牲剂的悬浮液体系中,非金属掺杂WO3的光解水活性大幅提高。在紫外光照射下,掺杂前躯体浓度为1.0％的F掺杂WO3(F-WO3)和掺杂前躯体浓度为2.0％的S掺杂WO3(S-WO3)的12 h平均析氧速率分别为102.1和99.9 gmol·-1·g-1·h-1,与纯WO3的80.2μmol·L-1·g-1·h-1相比分别提高了27％和25％。在可见光照射下,虽然F-WO3的光解水活性没有得到提高,但掺杂前躯体浓度为2.0％的S-WO3的12 h平均析氧速率却高达76.7 gmol·L-1·g-1·h-1,与纯WO3的48.9μmol·L-1·g-1·h-1相比提高了57％。
致密和纳米多孔薄膜退火前后的化学组成均为WO3。阳极氧化纳米多孔膜为无定形结构WO3,退火后转化为(002)晶面优先生长的单斜晶系WO3。退火移除了大量作为光生电荷复合中心的缺陷,故结晶WO3薄膜与无定形结构相比,其电子传输性能和光解水活性得到显著地提高。在可见光照射下,纳米多孔WO3薄膜(0.5％NaF、50 V、25℃、30 min)的稳态光电流(1.6 V vs.Ag/AgCl)和最大光电转换效率分别为5.75 mA/cm2和1.68％,分别是结晶态致密WO3薄膜的4.75倍和5.09倍。由于具有较大的比表面积,纳米多孔WO3薄膜不仅能吸收更多的光照能量,也能与电解质更充分地接触,从而有利于电荷的分离与传递。因此,与致密薄膜相比,纳米多孔WO3具有更小的界面电荷迁移电阻、更大的载流子浓度、更小的瞬态光电流谱动力学常数和更大的瞬态时间常数。此外,通过对电解质含氟浓度、电压、温度和反应时间等参数的调节可以控制产物形貌,从而改善其光解水活性。在本文中的最优化条件(0.5％NaF、50 V、15℃、60 min)下制备的纳米多孔薄膜产生的稳态光电流(1.6 V vs.Ag/AgCl)达到6.70 mA/cm2,是结晶态致密WO3薄膜的5.54倍。
三氧化钨;非金属掺杂;纳米多孔膜;光电化学;固相烧结法;阳极氧化法;光催化剂;光解水活性
中南大学
硕士
冶金物理化学
李洁;吴争平
2010
中文
TQ136.13;TB383
84
2011-05-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）