摘 要

用光催化技术解决能源问题的研究越来越被社会各界所重视， TiO₂因为其合适的电性、可控的性能以及良好的化学稳定性被广泛运用于光催化制氢方面，但是传统TiO₂由于其较宽的带隙（Eg = 3.2 eV）只能响应太阳光中的约5 %的紫外光，对太阳光中绝大部分的可见光不能响应，而且TiO₂光催化过程中光生电子和空穴容易复合，使得TiO₂的量子产率和光催化活性很低。

针对以上问题，为了进一步提升TiO₂的制氢性能，对其改性十分重要。其中，表面修饰由于其量小却能很大改变基体材料的性质的优点被广泛运用于改性中。本文通过简单的原位生成法在TiO₂表面生成硅酸小颗粒，成功实现了制氢性能的提高。

本论文的研究内容如下；以P25为原料，采用原位生成法，在TiO₂表面生成硅酸小颗粒，通过研究不同含量的硅酸对TiO₂制氢性能的影响，找出硅酸占TiO₂质量（wt%）的最佳含量。研究结果表明：当H₂SiO₃占 TiO₂质量（wt%）的0.05 %时，TiO₂的制氢性能最佳，是纯TiO₂制氢性能的约1.43倍。性能提升的主要原因是：H₂SiO₃作为电子助剂，可以促进光生电子和空穴的有效分离，从而提高了材料的光催化活性。

本论文的特色：以表面修饰作为对TiO₂制氢的改性手段，发现了一种新型的改性材料---硅酸，为其他类似结构的弱酸性材料作为改性助剂提供了一种思路

关键词：光催化；TiO₂；表面修饰；硅酸

Abstract

Photocatalytic technology has been given more and more greater attention by all the society . TiO₂ has been widely used in photocatalytic hydrogen production because of its suitable electronic and optical properties and good chemical stability, but the traditional TiO₂ due to its wide band gap (eg = 3.2 eV) can only respond to UV light from the sun and can not respond to the most visible light in the sunlight .During the photocatalytic process of TiO_2, photoinduced electrons and holes are easy to composite, resulting in low quantum yield and low photocatalytic activity.

Aiming at the above problems, it is very important to improve the performance of TiO₂ in order to further improve the performance of hydrogen production. Among them, surface modification is widely used to modify the properties of the matrix material because of its small amount. In this paper, the small particles of silica are generated on the TiO₂ surface by a simple situ generation method, and the performance of hydrogen production is successfully improved.

The research contents of this thesis were as follows; P25 as raw material, using in situ generation method, the formation of silicate acid small particles in TiO₂ surface, through the influence of study different content of silicate on the properties of TiO₂ hydrogen production, found out silicate accounted for the optimum content of the TiO₂ mass (wt%). The results showed that when the acid is 0.05% of TiO₂ mass (wt%), the hydrogen production performance of TiO₂ was the best, which was about 1.43 times of the performance of pure TiO₂. The main reason for the improvement of the performance was that the acid was used as an electron assistant, which can promote the effective separation of the electron and the hole, and thus improved the photocatalytic activity of the material.

Characteristics of this paper：Surface modification as a modification method for hydrogen production by TiO₂，a new kind of modified material, silica, is found, which provides a new way of thinking for other similar structures.

Key Words：photocatalytic；TiO₂；surface modification；silicate acid

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1光催化背景 1

1.2 TiO₂半导体光催化材料 2

1.2.1 TiO₂半导体光催化材料的结构 2

1.2.2 TiO₂半导体光催化机理 2

1.2.3 影响TiO₂光催化制氢的因素 3

1.3 提升纳米TiO₂制氢性能的改性方法 4

1.3.1非金属元素的掺杂 4

1.3.2 金属元素的掺杂 5

1.3.3 形貌控制 6

1.3.4 表面修饰 7

1.3.5 半导体材料的复合 8

1.3.6 染料敏化 9

1.3.7 其他方法 10

1.4研究内容，目的及意义 11

第二章 H₂SiO₃－TiO₂材料的制备及表征手段 13

2.1引言 13

2.2实验部分 14

2.2.1 实验试剂 14

2.2.2实验仪器 14

2.2.3 样品的合成 14

2.2.4 样品的表征手段 15

2.2.5 样品的制氢方法 15

第三章 结果与分析 17

3.1 引言 17

3.2 XRD分析 17

3.3 SEM分析 18

3.3 UV -Vis分析 19

3.4 光催化制氢性能分析 20

3.5循环性能分析 21

3.6光催化机理分析 22

3.7 本章小结 23

第四章 结论与展望 24

4.1结论 24

4.2展望 24

参考文献 25

致 谢 28

第一章 绪论

1.1光催化背景

随着科学技术的发展和生活水平的逐渐提高，人类对能源的需求越来越高，能源问题已然成为了当今世界必须解决的问题。虽然传统化石能源依旧为世界提供主要能源，但是由于其环境污染、不可再生、能源枯竭等问题，寻找一种清洁无污染、可再生的能源已迫在眉睫。可再生清洁能源有：氢能、风能、地热能、生物能（沼气）、水能、潮汐能、太阳能等。太阳能有着利用方便、资源丰富、洁净无污染等优点，但是太阳能存在着能量密度低、分散、不易存储等问题^[1]。风能、地热能、水能、潮汐能等能源对科学技术的水平依赖比较严重，无法广泛的使用。而氢能具有清洁、无污染、可再生、能量密度高（142 kJ/g，约是汽油的3倍）、便于储存和运输等优点，且氢燃烧的唯一产物是水，而且氢气的来源——水资源丰富，使用较为安全，不会污染环境，因而被认为是一种最有前景的能量载体。