1、 毕业设计开题报告 化学工程与工艺 光解海水制氢氮化物催化剂的研究 一、 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 近几十年来，随着世界经济的不断发展，全球对能源需求的也持续增长。而作为现代文明社会使用的主要能源 煤、石油、天然气，由于其贮量日益枯竭且不可再生，所以近年来能源价格出现不断上涨趋势。而燃烧这些化石能源会排放大量的温室气体，造成全球变暖，气候异常，环境恶化，造成诸多不良影响。随着近年国际能源价格不断上扬，人们环保意识的不断加强，寻找新的廉价清洁的化石能源替代品的研究越来越受到重视。 氢能源已经被普 遍认为是一种理想的新世纪无污染的二次能源，这是因为氢气燃烧后，水是唯一的产物，
2、另外氢能作为二次能源具有能量密度高、再转化效率高、成本低是最具竞争力的能源 1。 氢在大自然中并不存在，虽然可以通过电解、天然气裂解等方法制备氢气，但是这些方法制备氢气成本过高，直接限制了它的使用范围。氢大量存在于水中，如果能够有效的直接利用太阳能制备氢，就可以大幅度的降低它的制造成本，使其得到广泛的应用。 20 世纪 70 年代中期发明 TiO2 为光催化剂，直接利用太阳能制备氢，从而解决了设备价格和使用寿命的问题。但是 TiO2 催化效率偏 低，造成能量大量浪费，同时制氢能力低下，阻碍了它进一步的推广使用。因此，提高 TiO2 光催化剂的性能一直是太阳能制氢研究的领域热点和难点，也是将其实
3、用化和商业化的关键。 综上所述，研究和改良现有 TiO2 光解水催化剂的性能，对提高太阳能制氢转化效率，降低氢能源的制造成本具有重要意义。 TiO2 是宽禁带 ( Eg = 3. 20eV) 半导体，不能吸收可见光，限制了对含有 45 %可见光太阳光的充分利用，因此开发具有可见光活性的光催化剂具有很大的现实意义。 2001 年， Asahi 等 2首次对 TiO2 进行非金属离子 N 掺杂，在可见光下降解亚甲基蓝等有机物获得成功。 Shangguan 等 3研究了 N-TiO2 在可见光下的制 H2，但活性有待提高。最近， Liu 和 Yang4， 5等通过复合的手段制备了 Pd-TiO2-x
4、 Nx-WO3 和 Pt-TiO2-xNx-WO3光催化剂，与单一的 N-TiO2 相比，在可见光下 ( 400nm) 的活性有很大的提高。 Peng 等 6研究了 Be2+掺杂对 TiO2 在紫外光下放 H2 活性的影响，发现 Be2+的掺杂明显改善了 TiO2 在紫外光照射下的放 H2 活性。此想法激发我们对 TiO2 进行铍、氮 共掺杂，以期得到可见光下高光催化活性的共掺杂催化剂。碱土金属与氮共掺杂 TiO2 可见光 ( 420nm)制 H2 未见文献报道。 以碱土金属离 Be2+掺杂改性的 N-TiO2 为光催化剂，在含有电子给体 (EDTA)的水溶液中能够实现可见光光催化分解水制 H
5、2， Be2+掺杂提高了 N-TiO2 光催化剂的活性。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 1. TiO2改性与可见光催化 我们知道单纯的 TiO2是不能有效利用太阳光进行光催化制氢。所以有效地进行 TiO2的修饰使其能响应长波长的可见光。这是最基本大的一步。 2. 非金 属掺杂的研究始于近几年，而金属掺杂研究是比早的，应该说相对成熟一些。非金属掺杂可以使 TiO2 获得优异的可见光活性。从而使 TiO2 光催化响应紫外 -可见光有了重大突破。 4.金属掺杂杂可以使 TiO2 催化剂中的空穴电子对有效分离，提高光谱响应范围；与此相比，非金属离子（ S、 N、 C、 F）具有能量相对较高的
6、轨道，用这些原子取代半导体氧化物中的部分 O 原子，则有可能使半导体的价带位置升高，缩小半导体禁带宽度，使其吸收边红移而进入可见光区。因此，非金属元素掺杂是制备 TiO2 基可见光活性催化剂的方法之一 6,7。如果两者结 合就可以有效的解决光催化反应中的两个重要问题。 5. 我们知道 TiO2 作为光催化剂有其优点，也有其缺点，那就是光生电子与空穴的复合率高，光量子效率很低，导致光催化反应效率并不是很高。因此为了提高 TiO2 的光催化活性，人们致力于 TiO2 基体材料的研究。到目前为止，根据提高 TiO2 光催化效率的策略的不同，一般归属为两大类。一种是用化学的方法，称为 TiO2 掺杂，
7、掺杂的元素有金属元素（ Au、 Pd、 Pt、 Rh 等）或非金属元素（ N、 S、 I、 F 等）；另一种是物理方法通过微波或超声波来照射 TiO2 光反应系统。 三、研 究步骤、方法及措施： 1.通过查找资料，分析资料确定选题范围及论文题目。 2.通过指导老师指导，查找文献和资料整理分析、撰写开题报告、外文翻译和文献综述。 3.根据开题报告，在指导老师指导下进行实验，得出实验结果。 4.根据根据实验结果，撰写论文初稿。 5.根据论文初稿，收集的资料，修改成稿。 四、参考文献 1 朱永法 .前景光明的纳米光催化剂 J.动态视点， 2001， 9:28-30. 2 於煌 .N掺杂二氧化钛的制备
8、、可见光活性与机理的研究 D，重庆；重庆工商大学， 2007. 3 薛晋波 .N掺杂及 PdO纳米颗粒对 TiO2薄膜光学性能的影响 D，山西；太原理工大学， 2007. 4 Frank S. N.， Bard A.J.， Heterogeneous Photoeatalytic oxidation of cyanide ion in aqueous solutions at titanium dioxide Powder J J.Am.Chem.Soe.1977,81:1484-1488. 5 程萍，金燕苹，顾明元 .可见光响应型二氧化钛光催化剂研究进展 J.材料导报， 2004， 18(7
9、):76-79. 6 廖振华，陈建军，姚可夫等 .纳米 TiO2光催化级负载化的研究进展 J.无机材料学报， 2004，19(1):17-24. 7 华南平，吴遵义，杜玉扣等 .Pt、 N共掺 TiO2在可见光下对三氯乙酸的催化降解作用 J.物理化学学报， 2005， 21(10):1081-1085 五、研究工作进度： 1.2010 年 11 月 25 日，接受指导教师下达的任务； 2.2010 年 12月 27 2011年 1月 7 日，根据题目查找、收集资料，分析整理资料，完成外文翻译、文献综述和 开题报告； 3.2011 年 2 月 21 日 2011 年 3月 5日，调研、整理资料，
10、撰写毕业论文（设计）提纲； 4.2011 年 3月 15 日 2011 年 3 月 20 日，确定用溶胶 -凝胶法制作 TiO2-N 催化剂及确定用静置法添加负载金属离子； 5.2011 年 3月 21 日 2011 年 3 月 27 日，制作出 TiO2-N 催化剂粉末，并按相同方法负载上 1%（质量比）的 Co， Ag， Ni 三种金属； 6. 2011 年 3 月 28 日 2011 年 3月 28日，光化学反应仪器校正，得出计算公式 产氢量 = 出峰面积 / 1363.578 7.2011 年 3月 29 日 2011 年 4 月 3 日，测试（ 6）中的催化剂，有数据得出结论，负载 Co 离子为最佳金属离子； 8.2011 年 4月 7 日 2011 年 4 月 12 日，制作 N-TiO2-Co和 N-TiO2-H2O 催化剂，并按照 0%， 1%， 2%，3%， 5%（质量比）负载 Co 离子。 9.2011 年 4月 13 日 2011 年 4 月 26 日，测试（ 8）中的催化剂，参照数据得出结论； 10.2011 年 4 月 27 日 2011 年 5月 9日，修改成稿，打印毕业论文（设计），上交所有材料； 7.2011 年 5月 10 日 2011 年 5 月 15 日 进行 毕业论文（设计）答辩。
