新型单金属铈层状化合物的制备、改性及光催化性能研究

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铈基材料由于其独特的氧化还原能力,高反应活性和高的氧储存、释放能力而得到广泛研究。它的高催化活性与其本身的结构性质如晶型结构、铈离子价态、活性位点的分布以及形貌和比表面积等息息相关。因此,通过设计开发出新的、具有特殊结构的铈基材料来实现对这些结构特性的调控,是提高其催化性能的有效途径。  层状复合金属氢氧化物(LDHs)是一类二维阴离子黏土材料,由于其在结构上具备层板化学组成、层间阴离子种类及数量、层间距及晶粒尺寸的可调控性,使得从原子水平上去调控其活性位分布成为可能,它的这种结构特性给我们提供了一种构造新型铈基催化剂的思路。  目前关于单金属铈层状化合物的制备还未有文献报道,可能由于铈元素具有不同于其它镧系元素的电子结构,采用常规的用于合成镧系元素层状氢氧化物(LREHs)的均相沉淀法只能获得铈的一维纳米线或纳米棒。因此本研究目的在于通过制备单金属铈层状化合物材料,将铈基催化剂的催化活性和层状结构的优点结合在一起,实现材料催化性能的提高。论文的主要内容包括:  (1)通过在反应中加入氧化剂(NH4)2S2O8,利用简单的一步共沉淀法制备单金属铈层状化合物(MCe-LDH)。相较于Ce掺杂的金属LDHs(如MgAlCe-LDH),该层状化合物中只含有金属Ce元素,并且Ce以Ce3+和Ce4+两种化学态共存,其相应比值(Ce3+/Ce4+)也可以通过改变n(NH4)2 S2O8/nCe(NO3)3的比例来进行调节。  (2)将前期制备的单金属铈层状化合物(MCe-LDH)用于可见光下(λ>420 nm)亚甲基蓝(MB)的降解反应。相较于普通的商业购买CeO2,MCe-LDH对MB的降解效果明显提升,原因在于MCe-LDH结构中的氢氧根(-OH)以及氧空位(Vo)对光降解MB反应具有促进作用。此外,我们还探讨了催化剂MCe-LDH的浓度对光降解MB效率的影响。  (3)对前期制备的单金属铈层状化合物(MCe-LDH)进行热处理改性并将其用于CO2光催化还原反应。该层状化合物具有很好的形貌稳定性,即使在800℃煅烧,样品仍然保留着原有的片层状结构,并且热处理温度会对样品表面的Ce3+/Ce4+比例以及材料的比表面积产生影响。MCe-LDH-800显示出最高的CO2光催化活性,其CO平均生产速率约为1.68μmol g-1h-1,是我们组以前报道过的纯介孔CeO2(m-CeO2)的2.5倍(0.67μmol g-1h-1)。  (4)采用紫外光沉积法在MCe-LDH和MCe-LDH-800上负载贵金属Pt纳米颗粒,制备了一系列不同Pt负载量的复合催化剂材料。将该复合材料用于CO2光催化还原反应,发现样品的光催化活性随Pt负载量的增加呈现先上升后下降的趋势,当Pt名义负载量为0.76 wt%时,样品的催化活性最高,相比于负载贵金属前分别提升了5倍和3倍。
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