尖晶石類復合材料的制備、表征及CO2光轉化性能研究.pdf

1、CO2是導致全球變暖的主要溫室氣體，將CO2固定和轉化具有重要的研究意義，利用光能光催化轉化CO2是CO2轉化利用的途徑之一。尖晶石氧化物具有一定的可見光催化活性，本文設計制備了鉻鈷基、鈷鋁基、鎂鐵基三種納米尖晶石型光催化材料，用不同金屬離子與之摻雜、用二氧化鈦與之復合制備摻雜的及復合的催化材料，目的是減少光生電子和光生空穴重新復合，拓寬光譜影響范圍，以充分利用光能，提高光催化的效率。通過TG-DTA、XRD、IR、UV-Vis SPS

2、、SEM、NH3-TPD和BET等表征手段對所制備的光催化材料的結構和光化學性質進行分析，以光催化轉化CO2制備甲酸量為所制備材料的光催化性能評價指標。對光催化轉化CO2工藝條件進行了優(yōu)化。
　　1.采用檸檬酸溶膠-凝膠法制備了納米尖晶石型CoCr2O4光催化材料，研究了焙燒溫度和焙燒時間對材料結構及性能的影響；設計制備了CoCr2O4/TiO2復合催化材料，研究了焙燒溫度和焙燒時間以及復合摩爾比對催化材料結構及性能的影響。進一步

3、以Na+、Li+、K+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+、Al3+、Fe3+、La3+不同金屬摻雜的CoCr2O4催化材料，研究了一價、二價、三價不同金屬離子摻雜對CoCr2O4材料結構及性能的影響，研究了摻雜量對CoCr2O4材料結構及性能的影響。
　　研究結果表明：CoCr2O4在可見光區(qū)550～700 nm范圍內有明顯的吸收峰，CoCr2O4的帶隙能為1.61 eV。當反應5 h時，CoCr2O4光催化還原C

4、O2制得甲酸的累積濃度為4.15mmol/g·cat。復合后的CoCr2O4/TiO2復合催化材料高于未復合的CoCr2O4的光催化性能，有利于電荷傳輸，拓展了光催化材料的光響應范圍，復合光催化材料有效的降低了光生電子和光生空穴的復合幾率，光能的利用率大大得到了提高。CoCr2O4/TiO2-1/2-600表現出了較好的催化活性，當還原反應5 h時，光催化還原CO2制備甲酸的累積濃度為6.82mmol/g·cat，不同金屬離子摻雜 Co

5、Cr2O4光催化材料仍具有完整的CoCr2O4尖晶石型結構。Na0.2Co0.8Cr2O4和Ni0.2Co0.8Cr2O4較之未摻雜的CoCr2O4發(fā)生了微小的晶格膨脹，Al0.2Co0.8Cr2O4相對于未摻雜的CoCr2O4發(fā)生了微小的晶格收縮。不同金屬元素A位摻雜制備的材料，光催化還原二氧化碳性能優(yōu)于 B位摻雜。摻雜量過高或過低，都會影響光催化轉化CO2活性。
　　2.采用檸檬酸溶膠-凝膠法制備了納米尖晶石型 CoAl2O4

6、光催化材料，設計制備了CoAl2O4/TiO2復合催化材料，研究了焙燒溫度和復合摩爾比對催化材料結構及性能的影響。研究結果表明：CoAl2O4催化材料的平均粒徑為14.6 nm，在可見光區(qū)500～700 nm范圍內有明顯吸收峰，CoAl2O4的帶隙能為1.68 eV。當反應5 h時，CoAl2O4光催化還原 CO2制甲酸累積濃度為3.63mmol/g·cat。復合催化材料 CoAl2O4/TiO2高于未復合的CoAl2O4的催化性能。焙

7、燒溫度為600℃、復合比為1/2時制備的CoAl2O4/TiO2-1/2-600復合催化材料表現出了較好的催化活性，復合后有效敏化，催化材料的吸附能力增強，比表面積增大，拓展了光響應范圍，提高了光能的利用率，增加了產物甲酸的產量。
　　3.采用檸檬酸溶膠-凝膠法制備了納米尖晶石型MgFe2O4光催化材料，設計制備了MgFe2O4/TiO2復合催化材料，研究了焙燒溫度和復合摩爾比對催化材料結構及性能的影響。研究結果表明：MgFe2O

8、4材料平均粒徑約為63.8 nm，微觀形貌為球形。MgFe2O4在可見光區(qū)400～620 nm范圍內有明顯的吸收峰，帶隙能為2.07 eV。當反應5 h時， MgFe2O4光催化還原CO2制得甲酸累積濃度為3.36mmol/g·cat。MgFe2O4與TiO2復合的MgFe2O4/TiO2催化材料，高于未復合的MgFe2O4的催化性能，拓展了光響應范圍，增加了比表面積，提高了光生電荷的分離效率，甲酸產量得到有效的提高。焙燒溫度為600℃

9、、復合比例為1/2時制備的MgFe2O4/TiO2-1/2-600材料具有最佳的光催化活性。
　　4．以檸檬酸和TiO2-P25為原料，經浸漬-焙燒制備出C-TiO2光催化材料，C取代了TiO2晶格中的Ti原子，形成了Ti-O-C的結構，摻雜C后，晶型未發(fā)生變化，由于C在價帶上方形成了新的能級，使TiO2禁帶能窄化，吸收邊發(fā)生紅移；擴展了TiO2的光響應范圍，提高了電子-空穴的分離效率，晶粒分布比較均勻，有利于電荷的傳輸，光催化活

10、性明顯提高。光催化還原二氧化碳生成的甲酸產量達到2.63 mmol/g-cat。
　　相同還原條件下光催化活性比較：CoCr2O4/TiO2＞CoAl2O4/TiO2＞MgFe2O4/TiO2＞C-TiO2＞TiO2。
　　5.研究催化材料光催化還原二氧化碳的性能，考察了不同催化材料用量、NaHSO3溶液的濃度、NaOH溶液的濃度、光照時間、燈源等因素對還原二氧化碳效果的影響，并通過正交實驗確定了最佳還原工藝：催化劑用量為2