贵金属增强WO3光催化生成过硫酸和过氧化氢的性能研究

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随着经济的快速增长,环境和能源的问题日益突出。传统制备高附加值化学品的方法,大多需要高能耗的输入,而加剧了能源与环境问题。随着半导体光催化技术的提出与发展,人类进入了可同时解决能源与环境问题的新纪元。利用太阳能制备高附加值化学品,能极大程度降低能耗,有望在未来实现可持续发展。过硫酸(S2O82-)和过氧化氢(H2O2)是两种非常重要的化学品,但目前对于光催化产生S2O82-和H2O2的研究非常少,从而制约了光催化技术在该领域的发展。氧化钨(WO3)是光催化领域中常见的n型半导体材料,具有无毒无害、酸性条件下化学性质稳定和良好的可见光响应等优点,使得WO3成为光催化合成S2O82-和H2O2的重要材料。但是,WO3中光生电子和空穴易复合的缺点,导致它的光催化性能仍然非常差。因此,本论文对WO3进行改性,以实现高效率光催化生成S2O82-和H2O2为目的,进行了以下研究:(1)通过不同方法将贵金属铂(Pt)负载于WO3表面,提高了光催化生成S2O82-和H2O2的活性。活性测试结果表明采用光沉积(PD)法负载的样品具有最好的S2O82-生成活性,分别是化学还原(CR)法和浸渍(IM)法的2.1和4.4倍,而IM法制备的样品实现了同时生成S2O82-和H2O2,且其比例达到了1:1。通过X射线光电子能谱(XPS),初步分析表明,由于Pt在WO3上的不同化学价态导致了光催化活性的差异。(2)进一步考察Pt在WO3上的化学价态对光催化生成S2O82-和H2O2活性的影响。通过改变甲醇(MeOH)在光沉积过程中的含量,实现控制金属铂(Pt0)和氧化铂(PtOx)在WO3表面的比例。结果表明,随着MeOH的含量升高,Pt0和PtOx的比例呈逐渐减小的趋势,而不同 MeOH含量制备的Pt负载WO3中只有Pt的化学价态存在差异。通过光电化学实验和活性测试结果,推测PtOx为氧化助催化剂,加速H2O2的形成;而Pt0为还原助催化剂,促进O2被还原为H2O。这种双助催化剂加速了电子空穴对在光照条件下的分离效率,大大提高了光催化活性。(3)受双助催化剂的启发,并降低对贵金属Pt的使用,设计了双贵金属Pt和Au负载型WO3。形貌测试及能谱扫描结果表明,Pt与Au形成了核壳结构。核壳结构的存在,能够进一步提升光催化生成S2O82-的活性。在300W Xe灯可见光(λ>420 nm)光照3 h后,形成Pt-Au核壳结构的助催化剂生成S2O82-的活性达到了 36 μmol,为单一 Pt负载的1.7倍,单一 Au负载的35倍。本论文研究了贵金属Pt及Pt-Au合金在WO3上对于光催化产生S2O82-和H2O2的性能,考察了生成S2O82-和H2O2的影响因素,为反应机理提供了可参考的信息,对利用H2O2、O2,H2SO4和光催化剂同时制备H2O2和S2O82-有一定的借鉴意义。
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