原位改性与离子诱导生长的钨基材料应用于光催化CO2还原性能研究
伴随着全球气候的变化以及人类社会的发展，将二氧化碳资源化是改善人类生存环境的同时促进人类社会发展的重要目标。光催化技术作为一种利用太阳能为源动力实现能量转化的新兴技术，它在实现二氧化碳资源化目标上具有广阔的发展前景。光催化技术的核心在于开发具有高活性、高选择性以及高稳定性的光催化剂。三氧化钨作为一种具有抗光腐蚀性以及极性条件下稳定的材料，在光催化领域的应用备受关注。本文主要从原位改性以及水热合成过程改性来改善三氧化钨在光催化CO2还原方面的性能，主要研究内容如下所示: (1)对商用的WO3(WO3-C)进行原位改性，产生金属空位和间隙金属，协同作用提升其在CO2光催化还原反应中的性能。首先使用王水对WO3进行分级酸处理，分别得到酸处理后WO3-A样品和酸处理后多次洗涤得到WO3-W样品。应用于光催化CO2还原，两个样品表现出优于未处理的WO3-C的光催化活性。王水处理得到的WO3-A样品光催化CO2还原活性优于HC1或HNO3处理得到的WO3。通过重复使用实验证实了WO3-A光催化剂较好的活性稳定性。王水处理可改变WO3内所含杂质金属的存在状态，影响WO3-A光催化CO2还原性能。通过XRD、XRF、EPR、XPS、Raman、HRTEM等表征验证了WO3-A样品所提升的光催化CO2还原活性归因于酸处理得到的金属空位与间隙杂质金属的协同作用。利用DFT理论计算进一步验证了金属空位与间隙金属的同时存在，会产生有利于光催化CO2还原的电子能带结构，表现在能带间隙的减小和缺陷能级的产生，增强光吸收性能和光还原反应能力。此外，对三氧化钨进行不同温度条件下的煅烧以及部分硫化处理，均能进一步提升其光催化CO2还原反应性能。 (2)通过水热合成过程调节实现三氧化钨改性，铬离子引入促成更高pH环境下三氧化钨的形成，所得到的Cr掺杂三氧化钨具有更均匀的颗粒度和更高的光催化CO2还原反应活性。以钨酸钠为钨源通过水热法合成三氧化钨，改变前体溶液pH值，获得一系列不同的三氧化钨样品。比较水热合成中有或者没有引入铬盐对所得产物的组成、形貌、光响应性、光催化性能的影响。在不同pH条件下前体溶液中引入Cr3+,所得材料光催化CO2还原性能均得以提升，而且在pH=4.5的条件下，引入Cr3+所得样品NaCrW-4.5的光催化活性最好，Cr3+引入可以稳定氧化钨晶体结构，减少体相氧空位的形成，稳定的晶体结构有助于增强电子传输。通过改变Cr3+的加入量调节其与W的比例、调整水热合成时间以及引入不同的金属离子，实现对三氧化钨材料光催化CO2还原反应性能的优化提升。
催化剂;三氧化钨;CO2还原;金属空位;离子掺杂
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
涂伟霞
2023
中文
O643.36
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）