A位掺杂LaMn0.6Ni0.4O3-δ光催化材料及其性能研究

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光热驱动CO2和H2O转化为碳氢化合物燃料是目前解决温室气体最有前景的方法,已经有大量的研究表明,将热,光,电等手段结合在一起成为可以解决CO2气体污染的重要方法。在光热条件下,催化剂是一个可以将CO2催化转化为有机燃料的重要载体,这一过程所得到的有机物,可以有效缓解目前世界资源短缺问题。锰酸镧是一种钙钛矿型的材料,低廉的价格以及简单的工艺制备手法,目前已被证明是用于CO2催化还原制碳氢化合物的重要材料,而且钙钛矿型材料具有独特的物理性质和化学性质,尤其掺杂后引起的能级缺陷促使很小的能量即可驱动电子结构的匹配转变,促进表面气体的吸附与活化,降低反应所需的能量,从而改变催化活性。因此,本文围绕性能最好的La Mn0.6Ni0.4O3-δ材料展开,通过A位掺杂对其进行研究,从掺杂比例,温度,以及掺杂元素四个方面来研究La Mn0.6Ni0.4O3-δ的催化性能。详细的科研工作及成果主要分为以下四个部分:1、通过溶胶凝胶法合成不同比例的La1-xPrxMn0.6Ni0.4O3-δ(x=0、0.2…0.8、1)材料。探究Pr3+含量和反应温度对催化反应的影响,该研究表明适当的掺杂可以增加材料表面的氧空位,减少禁带宽度,尤其当Pr3+掺杂量达到0.6时氧空位最多,禁带宽度最小,从而预测材料的催化活性将会达到最高。实验结果表明,甲醇和甲烷的产量分别达到1.66和0.21 mmol/g,相对于A位未掺杂的材料La Mn0.6Ni0.4O3-δ的甲醇产量(84μmol/g)提高了约20倍,但是甲烷产量(0.76 mmol/g)有所下降。这就证明了Pr3+的掺杂确实改变了二氧化碳和水的反应路径,La Mn0.6Ni0.4O3-δ主要产物是甲烷,Pr Mn0.6Ni0.4O3-δ是甲醇型催化剂。初步证明了A位掺杂镨元素确实是影响催化产物的重要因素。2、为了获得更好地催化效果,紧接着探究La0.4Pr0.6Mn0.6Ni0.4O3-δ在不同的反应温度下(200~350℃)对二氧化碳和水反应的影响。研究表明,低温有利于甲醇的生成,高温有利于甲烷的生成,但是该催化剂似乎有着比较独特的性质,温度过低,不利于激活材料表面的活性的位点。300℃时该材料的催化活性表现出独特的优异性,其甲醇产量达到3.97 mmol/g,是该材料350℃下甲醇产量(1.66 mmol/g)的2.4倍。光热耦合实验的成功,表明该材料可能是一种双功能催化剂,光和热的同时引入提高了La Mn0.6Ni0.4O3-δ催化剂CO2光催化加氢的活性位点,从而增强光催化还原CO2的能力。3、为了进一步探究Pr3+掺杂的钙钛矿型材料的影响因素,对该材料进行(600℃~1000℃)不同温度的退火,将经过不同退火温度处理的材料分别在300℃光照射下进行催化测试,结论表明600℃比700℃下的甲醇产量更高,达到了5.2 mmol/g,该结果表明温度(包括退火温度和反应温度)对材料的催化活性确实有较大的影响。通过掺杂比例和温度为该材料确定了一个比较完善的实验条件。4、通过A位掺杂碱土元素Sr2+,探究不同类型的金属元素对材料的催化活性的影响,Sr2+的掺杂更多的优势由于其良好的二氧化碳吸附能力。Sr2+的全部替换La3+甲醇产量几乎达到了3 mmol/g,说明随着Sr2+的引入,材料表面提供更多的活性位点有助于二氧化碳的吸附与反应。综上所诉,A位掺杂稀土金属离子会使材料引入更多的氧空位而提高催化活性,而碱土金属的掺杂增加了材料本身的活性吸附位点,吸附更多的二氧化碳从而有助于反应的发生。
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