高分散層狀催化劑的制備及其光催化性能研究.pdf

1、針對多相催化劑在應用過程中存在的活性組分易團聚、分散度低等問題，本論文以光催化性能為導向，以催化劑活性組分的高分散為切入點，將催化活性金屬元素Cr、Ti等引入水滑石(LDHs)層板，實現(xiàn)了原子/亞原子尺度的分散;通過進一步調(diào)控粒徑尺寸，實現(xiàn)了缺陷位可控的無機納米催化劑的制備，并在介觀尺度進行了多級結(jié)構(gòu)催化劑的組裝。采用實驗技術(shù)和理論計算相結(jié)合的手段，對系列LDHs催化劑的晶體結(jié)構(gòu)、能級特征、金屬間相互作用進行了深入研究;揭示了催化劑的結(jié)

2、構(gòu)、組成、形貌以及缺陷位等特征對催化性能的影響;發(fā)展了一系列可用于光解水制氫（或制氧）、可見光催化以及殺菌等領(lǐng)域的高性能催化劑，為構(gòu)筑新型高分散催化劑提供了一定的實驗及理論基礎(chǔ)。
　　 本論文的主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下:
　　 1、采用本實驗室創(chuàng)制的成核晶化隔離法，將具有可見光吸收性質(zhì)的Cr元素引入LDHs層板中，合成了MCr-LDHs(M=Cu，Ni，Zn)催化劑，在可見光催化方面展現(xiàn)了良好的性能。CrO6基元在LDHs

3、介質(zhì)中的高度分散，導致了MCr-LDHs較窄的禁帶寬度，可充分吸收太陽光中的可見光部分，提高了光生載流子的生成效率;LDHs層狀結(jié)構(gòu)表面存在大量的OH基團，有助于捕獲空穴進而產(chǎn)生自由基，提升了載流子的傳輸效率。高的載流子生成和分離傳輸效率是高催化活性的主要原因。該方法可以進一步拓展制備具有可見光響應的氫氧化物或氧化物，有望應用于催化，吸附等領(lǐng)域。
　　 2、基于LDHs層板金屬元素高度分散的特點，將TiO6引入到層板中，獲得了M

4、Ti-LDHs(M=Ni，Zn，Mg)催化劑，在光分解水制氫方面展現(xiàn)了非常優(yōu)越的催化性能(314μmol·h-1g-1)。結(jié)構(gòu)表征證明了LDHs中TiO6八面體通過共價鍵與MO6(M=Ni，Zn，Mg)八面體相互作用，并呈現(xiàn)高度分散狀態(tài)。此外，由于MTi-LDHs表面存在大量的缺陷位，相比層狀K2Ti4O9可顯著降低電子-空穴復合效率。密度泛函計算顯示TiO6和MO6通過共價作用降低了其禁帶寬度，有助于吸收可見光，提高了其光催化性能。這

5、種基于LDHs層板元素高分散的特點，引入相關(guān)表面缺陷來制備高性能催化劑，在光解水制氫以及太陽能轉(zhuǎn)化方面具有潛在的應用價值。
　　 3、采用反相微乳液方法，合成了Ti3+摻雜的NiZnTi-LDHs納米片(40-80 nm)，表現(xiàn)出優(yōu)越的可見光分解水制氧性能(2700μmol·h-1g-1)及良好的循環(huán)穩(wěn)定性。采用熒光、順磁共振等手段證實隨著LDHs納米片粒徑的減小，表面的Ti3+缺陷位濃度增加;其作為光生電子的受限位降低了電子-

6、空穴的復合幾率，有效提高了載流子的利用效率，從而表現(xiàn)出優(yōu)越的可見光催化性能?；诖颂卣?，該材料也表現(xiàn)出良好的可見光抗菌（大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、酵母菌）性能。本工作提供了一種通過調(diào)變LDHs粒徑來調(diào)控Ti3+活性位濃度的新方法，從而實現(xiàn)了可見光催化性能的強化，在催化以及太陽能利用方面具有潛在應用價值。
　　 4、以紫藤果實-豆莢為模板，采用原子氣相沉積(ALD)-原位生長-焙燒方法，制備了具有優(yōu)良光催化活性的多級結(jié)構(gòu)ZnAl-

7、復合金屬氧化物(MMO)。該催化劑從納米到宏觀尺度精確復制了生物模板的多級形貌。相比于利用傳統(tǒng)共沉淀法制備的催化劑，利用生物模板獲得的MMO催化劑對水中的污染物表現(xiàn)出更強的光催化降解能力。這是由于其形成了多孔狀的多級結(jié)構(gòu)，具有高的比表面積和寬的孔徑分布。由于生物模板的多樣性和LDHs組分的可調(diào)性，該多級結(jié)構(gòu)材料在催化、吸附等領(lǐng)域具有廣闊應用前景。
　　 5、采用溶膠-凝膠-原位生長方法，在多種基體（濾紙、海綿、棉質(zhì)布）表面制備了