文 献 综 述

Ag团簇/TiO2复合纳米光催化剂

的制备和性能研究

1. 前言

随着社会的进步和工业化进程的加快，我们享受着工业化给我们带来的便利，同时，也面临着环境污染和能源短缺的种种问题。环境问题已刻不容缓，可持续发展成为全社会共同关注的焦点。可持续发展的关键在于节能减排，即减少资源的消耗，增加对能源的利用效率，对废弃物、污染物的处理和再生。由于化石燃料资源的枯竭和全球变暖，人类希望逐渐将能源供应方式从化石燃料转变为清洁和可再生能源。氢气燃烧时排放出大量的能量。这种能量可以由燃料电池转换成电能。此外，氢气的燃烧仅生成水，因此不会对环境造成任何负面影响。由于这些特点，氢作为一种很有前景的替代能源以解决当前的环境和能源相关的问题，已经引起了显著的关注。

本课题主要研究Ag团簇/TiO2复合纳米光催化剂的制备和性能。

2. 光催化的发展现状

目前，人类主要通过化石燃料的重整制氢。化石燃料在重整过程中会释放二氧化碳及其他有毒有害物质。因此，这样的制氢方法不能有效的解决当前能源和环境的有关问题。与此相反，光解水反应能产生清洁且可再生的氢气。同样，在环境治理方面，光催化同样具有广大的应用前景。利用绿色的太阳能作为能源有效的减小了能源消耗。为此，光催化材料被广泛的研究。然而，光催化剂的实际应用仍需要进一步改善。通常，金属纳米颗粒助催化剂作为反应位负载于光催化剂的表面是促进反应的一种有效策略。同时，提高助催化剂纳米粒子和半导体光催化剂活性，可以有效的实现高催化活性。最近的研究表明，通过液相方法合成的纳米粒子作为前驱体，能有效地控制最终助催化剂粒子的性质。液相合成能够得到可控的颗粒成分和尺寸。这种高度管制的纳米粒子吸附到光催化剂表面，随着配体的除去能够控制纳米粒子在光催化剂上的负载。

3. 光催化的研究进展

在众多的光催化半导体材料当中，由于TiO2具有廉价、无毒、来源广泛且光化学性稳定等诸多优点。被普遍认为是光催化领域最具潜力的催化剂。TiO2的制备大致可以分为气相法和液相法。气相法反应速度快，能实现连续化生产，产品纯度高，分散性好，团聚少，表面活性大；但反应在高温下瞬间完成，是由于反应在高温下瞬间完成，对反应设备、加热、进料方式等都有很高的要求。液相法首先得到的是非晶态氧化钛粒子，需经过锻烧来得到晶态粒子，锻烧过程容易导致粒子烧结或团聚。液相法生产纳米氧化钛，其优点是成本低、设备简单，较适用于大规模生产；其缺点是造成物料局部浓度过高，粒子大小、形状不均，分散性较差，影响产品的使用效果和应用范围。

通常情况下，填满电子的低能价带和空的导带组成了半导体的能带结构，价带和导带之间存在有禁带。当能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体表面时，半导体价带上的电子被激发跃迁至导带，在价带上形成相应地空穴。光生电子和空穴分别具有很强的还原性和氧化性，能够还原水分子生成氢气，氧化水分子生成氧气。但是, 由于TiO2在太阳能转化过程中量子效率较低。主要是因为其相对较宽的禁带宽度和激发条件下较快的光生电子和空穴的复合率。为了克服这些缺陷。科研工作者尝试了多种方法来提高TiO2的量子效率, 例如在TiO2的表面修饰以及负载金属团簇等。其中, 过渡金属尤其是贵金属(如Au，Ag和Pt等)的负载能有效提高TiO2的光催化效率,

这是由于Pt、 Au、Pd、Cu和 Ag等金属的费米能级远远低于 TiO2 的费米能级。当在TiO2 表面上负载这些金属颗粒时，在紫外光激发下，光生电子在从TiO2载体迁移到催化剂表面时，会被贵金属捕获，并在TiO2载体表面形成肖特基势垒，进而有效地阻止光生电子和空穴的复合，提高其光催化效率。因此，在 TiO2 的表面或体相存在适量的金属颗粒，有利于实现电子和空穴的分离。但是，值得注意的是当沉积的金属颗粒过多时，会出现TiO2 对光的吸收率降低的现象。而且还可能成为光生电子和空穴复合的中心。相关的实验发现，沉积金属的含量对TiO2 的光催化电解水效率存在一定的影响。

尽管Pt、Au、Pd的性能稳定而且对 TiO2 光催化有良好的增强效果。 但是其造价昂贵，不利于工业化生产。因此，选择Cu 和 Ag 在TiO2的表面沉积。主要是因为Cu 和 Ag相对价格较低，且同样对催化效果提高明显，故具有更高的实际应用价值。

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（一）.研究或解决的问题

1. 合成Ag纳米团簇和TiO₂纳米球

2. 在液相体系中，将Ag纳米团簇负载在TiO₂球上，合成Ag/TiO₂纳米球复合材料。

3. 测试该复合材料的光催化性能，并就实现更优性能对反应体系的温度及时间等条件进行优化。

4. 掌握基本的纳米材料合成和表征，以及光催化性能测试方法。

（二）.研究手段（途径）

在合成氧化钛纳米球的实验中，通过改变液体介质的种类，反应条件如反应温度、反应时间来实现尺寸均一球的一步制备。

然后，以合成的氧化钛纳米球作为载体，通过掺杂的方法实现Ag团簇对氧化钛纳米球的改性。通过改变实验条件如不同比例的配体、溶剂及还原条件等来确定最优的实验条件；在可见光照条件下实现氧化钛复合光催化剂对有机物的降解，通过对降解效果的比较，确定最优实验方案。

最后，制备好的氧化钛纳米球以及其复合材料需要通过表征来获得它们的一些性质。用扫描电子显微镜来表征纳米粒子的尺寸和形貌，可见吸收光谱和X射线衍射仪来分析纳米粒子的晶体结构。