铁掺杂凹凸棒石及其光电性质的研究
目录
1 绪论1
1.2半导体光解水制氢的基本原理1
1.3半导体光解水的研究进展1
1.4光催化材料2
1.5凹土的概况4
1.6铁的掺杂方法6
1.7本课题的指导思想9
2.实验部分9
2.1实验药品及仪器9
2.2实验方法及步骤9
3结果与讨论12
3.1使用研磨方法的XRD图12
3.2使用研磨方法制备凹土的紫外吸收光谱图13
3.3使用研磨方法的光电催化活性测试13
3.4使用水热方法掺杂凹土的XRD图14
3.5使用水热方法掺杂凹土的电镜图及其EDX分析16
3.6使用水热方法掺杂凹土的光电化学性质18
结论21
致谢22
参考文献23
1 绪论
随着近年来，工业化步伐的加快，能源问题和环境问题已经成为现代人类必须面对的两大问题。根据世界能源委员会的年度报告[1]，已经探测到全球天然气总量有1855440亿立方米,石油总量有1630亿吨，煤炭总量8600亿吨。如果依照当前人类对化石燃料消耗的速度来计算，天然气能用54年，石油能用40年，煤炭能用125年。不仅如此，传统的能源被人类快速消耗的同时，对环境也造成了大量的污染。由于化石燃料燃烧会出现分成颗粒，同时能带来环境污染和温室效应。2013年我国大部分城市都出现了雾霾现象，对这种雾霾颗粒进行监测分析，它的由汽车尾气及烟煤的燃烧引起的污染现象[2]。正因为如此，开发清洁能源已经成为了我国刻不容缓的问题。与以前的能源相比，太阳能具有很多的优点：广泛，存量丰富，清洁。如果将太阳能转化为其他能被我们使用的能源，那 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
样就解决了能源问题。将太阳的光能转化为化学能，使水在光照的情况下分解成为氧气和氢气，能够有效的解决能源问题。我们可以通过使用天然纳米结构的黏土当做光催化剂，在太阳光的照射下分解水得到氢气。用氢气作为新的能源。
1.2 半导体光解水制氢的基本原理
半导体的禁带宽度是处于绝缘体和导体之间。一般来说禁带宽度在0.3~3.8 eV范围属于半导体[3]。导带与价带由固定宽度带隙隔开来的。在太阳光的照射下，入射光子能量比带隙能量大时，半导体就可以吸取入射光子的能量，并且在导带上激发出电子，在价带上留下了空穴。空穴和电子分别具有氧化和还原的能力。这时候电子和空穴复合到一起，因此他是一种动态平衡的过程。我们要把激发的电子和空穴利用起来，只有这样才能提高半导体的催化能力。在光解水催化体系中，如果电子和溶液中的氧离子结合就能产生氧气，如果空穴能够与0结合就会产生氢气。因此，半导体光的响应能力是半导体光电催化的条件。
1.3 半导体光解水的研究进展
在1972年,Honda和Fujishima首次实现了光在半导体的催化剂作用下分解水[4]，他们使用TiO2作为光阳极，钼作为阴极，进行了光催化水的研究，并且产生了氢气和氧气。成功的使水在太阳光的照射下分解成了氢气和氧气，转化为了化学能。并且引起了各国研究者对光解水的研究。这个技术在近几年的发展，科学研究者发现了更多的光催化剂。并对它有着更深的理解。但是目前，光催化产氢的实验仍然属于是研究，在工业上并没有办法实现。为了能让光催化产氢能造福全世界，我们必须要从宏观和微观上去解决问题：宏观上，由于太阳能利用率低，微观上：由于催化条件难并且成本也比较高。目前这个实验研究的方向主要集中在以下几个方面1）研究光催化的系统，使它效率更高2)研究耗能低工艺简单的制备方法，3）使用廉价的光催化剂4）开发新型光催化剂5）对现在的光催化剂修饰。
1.4 光催化材料
1.4.1 什么是光催化材料
光催化材料是指在光照的作用下就能使水分解成为氧气和氢气的一种半导体材料。在1839年，Becquerel[5]就发现了光电现象，但并没有对它进行理论解释。到1955年，Brattah和Gareet[6]对光电现象进行了合理的解释，这代表着光电化学的诞生。直到1972年，日本东京大学的科学家发现了可以使用二氧化钛使得水在光照的作用下分解成为了氢气和氧气。这一实验标志着光催化实验产生氢气的研究得到了全方面的启动。在过去的几十年里，科学家们在光电催化产氢方面取得了巨大的成就[7-8]。例如TiO2,我们通过实验了解了对量子效率影响的各个因素：晶体结构，氧缺陷，自由基。如果采用复合半导体，光敏，元素掺杂等手段，就能提高光催化活性光的范围，提高产氢的能力。通过负载金属离子，能提高光催化活性。光催化技术已经成功的应用到了空气处理，废水净化等各个领域。尽管光催化技术引起了人们的重视，并且得到了较大的发展，但是，光催化技术任然没有进入到大规模的工业化应用之中。光催化技术还存在着弱点，比如光响应范围窄，离子转化率低，太阳能利用率低。寻找高效的光催化材料是目前光催化领域的首要目标。近年来，由于能源问题和环境问题，光催化技术因为其低成本，无污染的优点，成功的吸引了人们的注意，在将来能得到很大的发展。
1 绪论1
1.2半导体光解水制氢的基本原理1
1.3半导体光解水的研究进展1
1.4光催化材料2
1.5凹土的概况4
1.6铁的掺杂方法6
1.7本课题的指导思想9
2.实验部分9
2.1实验药品及仪器9
2.2实验方法及步骤9
3结果与讨论12
3.1使用研磨方法的XRD图12
3.2使用研磨方法制备凹土的紫外吸收光谱图13
3.3使用研磨方法的光电催化活性测试13
3.4使用水热方法掺杂凹土的XRD图14
3.5使用水热方法掺杂凹土的电镜图及其EDX分析16
3.6使用水热方法掺杂凹土的光电化学性质18
结论21
致谢22
参考文献23
1 绪论
随着近年来，工业化步伐的加快，能源问题和环境问题已经成为现代人类必须面对的两大问题。根据世界能源委员会的年度报告[1]，已经探测到全球天然气总量有1855440亿立方米,石油总量有1630亿吨，煤炭总量8600亿吨。如果依照当前人类对化石燃料消耗的速度来计算，天然气能用54年，石油能用40年，煤炭能用125年。不仅如此，传统的能源被人类快速消耗的同时，对环境也造成了大量的污染。由于化石燃料燃烧会出现分成颗粒，同时能带来环境污染和温室效应。2013年我国大部分城市都出现了雾霾现象，对这种雾霾颗粒进行监测分析，它的由汽车尾气及烟煤的燃烧引起的污染现象[2]。正因为如此，开发清洁能源已经成为了我国刻不容缓的问题。与以前的能源相比，太阳能具有很多的优点：广泛，存量丰富，清洁。如果将太阳能转化为其他能被我们使用的能源，那 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
样就解决了能源问题。将太阳的光能转化为化学能，使水在光照的情况下分解成为氧气和氢气，能够有效的解决能源问题。我们可以通过使用天然纳米结构的黏土当做光催化剂，在太阳光的照射下分解水得到氢气。用氢气作为新的能源。
1.2 半导体光解水制氢的基本原理
半导体的禁带宽度是处于绝缘体和导体之间。一般来说禁带宽度在0.3~3.8 eV范围属于半导体[3]。导带与价带由固定宽度带隙隔开来的。在太阳光的照射下，入射光子能量比带隙能量大时，半导体就可以吸取入射光子的能量，并且在导带上激发出电子，在价带上留下了空穴。空穴和电子分别具有氧化和还原的能力。这时候电子和空穴复合到一起，因此他是一种动态平衡的过程。我们要把激发的电子和空穴利用起来，只有这样才能提高半导体的催化能力。在光解水催化体系中，如果电子和溶液中的氧离子结合就能产生氧气，如果空穴能够与0结合就会产生氢气。因此，半导体光的响应能力是半导体光电催化的条件。
1.3 半导体光解水的研究进展
在1972年,Honda和Fujishima首次实现了光在半导体的催化剂作用下分解水[4]，他们使用TiO2作为光阳极，钼作为阴极，进行了光催化水的研究，并且产生了氢气和氧气。成功的使水在太阳光的照射下分解成了氢气和氧气，转化为了化学能。并且引起了各国研究者对光解水的研究。这个技术在近几年的发展，科学研究者发现了更多的光催化剂。并对它有着更深的理解。但是目前，光催化产氢的实验仍然属于是研究，在工业上并没有办法实现。为了能让光催化产氢能造福全世界，我们必须要从宏观和微观上去解决问题：宏观上，由于太阳能利用率低，微观上：由于催化条件难并且成本也比较高。目前这个实验研究的方向主要集中在以下几个方面1）研究光催化的系统，使它效率更高2)研究耗能低工艺简单的制备方法，3）使用廉价的光催化剂4）开发新型光催化剂5）对现在的光催化剂修饰。
1.4 光催化材料
1.4.1 什么是光催化材料
光催化材料是指在光照的作用下就能使水分解成为氧气和氢气的一种半导体材料。在1839年，Becquerel[5]就发现了光电现象，但并没有对它进行理论解释。到1955年，Brattah和Gareet[6]对光电现象进行了合理的解释，这代表着光电化学的诞生。直到1972年，日本东京大学的科学家发现了可以使用二氧化钛使得水在光照的作用下分解成为了氢气和氧气。这一实验标志着光催化实验产生氢气的研究得到了全方面的启动。在过去的几十年里，科学家们在光电催化产氢方面取得了巨大的成就[7-8]。例如TiO2,我们通过实验了解了对量子效率影响的各个因素：晶体结构，氧缺陷，自由基。如果采用复合半导体，光敏，元素掺杂等手段，就能提高光催化活性光的范围，提高产氢的能力。通过负载金属离子，能提高光催化活性。光催化技术已经成功的应用到了空气处理，废水净化等各个领域。尽管光催化技术引起了人们的重视，并且得到了较大的发展，但是，光催化技术任然没有进入到大规模的工业化应用之中。光催化技术还存在着弱点，比如光响应范围窄，离子转化率低，太阳能利用率低。寻找高效的光催化材料是目前光催化领域的首要目标。近年来，由于能源问题和环境问题，光催化技术因为其低成本，无污染的优点，成功的吸引了人们的注意，在将来能得到很大的发展。
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