铌酸钠基纳米材料的可控构筑与外场增强光催化性能的研究

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光催化技术已被广泛认可为可有效解决环境污染及能源紧缺问题的重要技术途径之一,围绕其催化效率的提升是该技术领域亟待解决的核心问题。目前,研究者们主要通过开发新材料及促进载流子分离效率两种途径提升催化效率。基于此,本论文选取了同时具有压电性与光催化性的NaNbO3材料作为研究对象,探索了其与多种材料复合的简便有效的制备方法,同时,研究了不同NaNbO3基复合材料在双场催化(压电-光催化)与三场催化(压电-磁-光催化)等外场增强下的产氢性能,并探讨了其外场增强机制。具体包括如下内容:1、NaNbO3@ZIF-8材料的制备及其双场催化性能研究。利用水热法与原位生长法复合NaNbO3纳米棒与ZIF-8纳米颗粒,通过调控反应物配比合成类苦瓜状NaNbO3@ZIF-8压电-光催化剂。采用X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)等表征手段,研究了催化剂的组成与结构,并通过产氢性能评价催化剂活性。研究发现,在双场催化作用下,NaNbO3@ZIF-8的产氢速率可达1.16 mmol g-1 h-1,显著高于单一光催化条件时的0.61 mmol g-1 h-1,增幅约为90%,其性能的提升可归因于压电效应产生的内建电场对载流子迁移的促进作用。2、NaNbO3@g-C3N4材料的制备及其双场催化性能研究。通过简便的水热法与煅烧法制备了核-壳结构NaNbO3@g-C3N4材料,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段,研究了催化剂的形貌与结构,并研究了其在双场催化过程中的产氢性能。结果表明,在双场催化条件下,NaNbO3@g-C3N4的产氢速率为1.02 mmol g-1 h-1,是单一光催化条件下的2.08倍,表明双场催化可极大促进核-壳结构NaNbO3@g-C3N4异质结在光催化过程中的载流子分离效率,抑制光生电子与空穴复合,提高其光催化性能。3、NaNbO3@rGO材料的制备及其三场催化性能研究。基于静电自组装法及超声复合法制备了核-卷轴结构NaNbO3@rGO催化剂,采用XRD、TEM等表征手段,获得了催化剂的形貌与结构信息,并在双场催化基础上引入了磁场作为外场增强,探究了其在三场催化时的反应活性。研究发现,NaNbO3@rGO在单一光催化条件下的产氢速率为0.32 mmol g-1 h-1,双场催化作用下,其效率提升至0.65 mmol g-1 h-1。三场催化条件下,产氢速率达到了最大值0.85 mmol g-1 h-1,对比单一光催化条件增幅高达165%。该增强作用可能是NaNbO3@rGO中压电效应产生的压电场与rGO的电磁感应而产生的微电势共同加速了载流子迁移,从而提高了催化活性。
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