1．目的及意义

当下人类面临能源短缺和环境污染两大问题，开发新型清洁能源和寻求高效治理环境污染技术成为人们近年来关注的热点。太阳能光催化技术利用太阳光将水分解产氢和催化有机污染物分解成水和二氧化碳，既能充分利用太阳能又可以解决能源短缺和环境污染两大生存问题。因此，合成出一种高效、无毒、可循环的可见光催化剂成为发展太阳能光催化技术的关键。当下研究热门当属太阳能光催化技术。1972年，Fujishima和Honda发表于Nature杂志上关于光电催化下TiO₂电极分解水制氢产氧的报道以来，半导体光催化技术实现了太阳能与化学能的转换。1976年Carey等首次采用二氧化钛作为催化剂，光催化降解有毒的环境污染物--多氯联苯。太阳能光催化技术可以将太阳能转化为氢能，又可以将有机污染物进行光降解，同时解决了能源问题与环境问题。半导体光催化材料广泛应用于光催化技术，成为一个有潜力的开拓方向。

以半导体氧化物为光催化剂的多相光催化过程因具有在室温下反应、可直接利用太阳光、可将几乎全部有机污染物矿化以及无二次污染等特点被认为是一种理想的环境污染治理技术。由于光生电子与空穴容易复合，很大程度上影响了光催化剂的性能。降低光生电子-空穴的复合的方法到目前为止多种多样，Z型结构因其可以有效阻止电子空穴的复合为我们的研究提供了一个重要的方向。

类比于自然界植物的光合作用，科学工作者定义了Z型光催化反应。它包含两个光系统(光系统Ⅰ，Ⅱ)的光激发过程和一系列氧化还原中间体的转换。其电子传递过程类似于“Z”型，故称为Z型反应。绿色植物的Z型光合作用为提高光催化效率提供了新思路，即通过两种不同光催化半导体材料的能级结构耦合，阻滞光生电子-空穴对的复合和逆反应的发生，提高对阳光的利用效率。Z型结构光催化体系提出之后，首先在液相光催化反应中应用。

人们在Z型光催化光解水体系中开发出全固态Z型光催化体系，更广泛地用于气、液相光催化和降解反应。全固态Z模型体系中，两个光系统之间通过面的接触或者某种导体链接，中间不需要经过液相离子的相互转化，很大程度上缩短了电子传递时间。而且中间电子传递过程，电子被无用消耗掉的概率降低。全固态体系不仅保留了Z型结构的优点，而且稳定性能和其他方面也有一定的优势。

光催化剂BiVO₄因为具有化学性质稳定、价格低廉以及资源丰富等优点受到了广泛的关注。BiVO₄是一种工业颜料，它的禁带宽度为2.4 eV,具有一定的可见光响应性能。最近研究表明：通过对WO₃表面晶面的控制合成，再沉积贵金属颗粒在其表面形成Z型结构，合成的光催化剂通过不同光源的照射，可以有效提高光催化剂产氧的能力。虽然BiVO₄原本不能产氢，但通过构成Z型结构能使BiVO₄产氢，且在不同波长光源的照射下，研究光生电子的转移方向，提高其制氢性能。通过水热法控制合成具有高暴露面的BiVO₄纳米片，利用NiOOH将NiO_x光沉积在BiVO₄的晶面上。当光照射在此催化剂中，电子还原H 产生H₂。而空穴则氧化水产生氧气，通过此过程完成光催化剂光解水。因此，探索Z型BiVO₄光催化剂的可控制备条件对构成一种新型的制氢光催化剂具有非常重要的借鉴意义。

TiO₂锐钛矿相结构本身具有廉价、低毒、稳定和光稳定性好的优点。其相对高的费米能级、低的吸氧能力和低的羟基化程度使得它有相对更高的催化活性。TiO₂锐钛矿相结构带隙能为3.2 eV，在紫外光下才具有光催化活性。近期，不同形貌、尺寸、表面结构和比表面积的产物已被合成出来，相应的材料性能也有一定的提高。然而传统的TiO₂材料光催化效率并不高，从而制约其广泛的工业应用。究其原因，主要包括以下三方面：（1）表面催化活性位点少；（2）量子效率低；（3）光吸收能力弱。

为了提高TiO₂材料的光催化效率，在量子效率的提高方面，主要通过TiO₂材料的表面贵金属（如Au，Ag，Pt等）助剂修饰来提高光催化剂的量子效率。我们将采用在TiO₂表面修饰Pt助剂来提高它的效率。由于贵金属与半导体的费米能级和功函数不同，因此两者之间能形成肖特基势垒并有效地转移半导体产生的光生电子，从而提高了TiO₂光催化剂的量子效率和光催化活性。此外，TiO₂光催化剂的金属离子和非金属离子掺杂能有效地提高其光吸收能力。TiO₂是一种宽带隙的半导体材料，只能吸收太阳光谱中的紫外光。然而在整个太阳光谱中，紫外光仅占到太阳光能量的4%（可见光占到了太阳光能量的43%）。离子的掺杂能改变TiO₂的电子结构、引入杂化能级或孤立能级、导致TiO₂的带隙吸收边红移，从而增强了其光的吸收和光催化活性。

构建BiVO₄-NiO_x-rGo-TiO₂-Pt结构，用石墨烯将两种催化剂连接起来，实现分解水制氢与产氧，获得使水快速分解的高催化活性催化材料。利用太阳能通过光电转换，将水催化分解制取氢气，可望使廉价制氢气技术成为现实，具有广泛的应用前景。

通过以上的特点分析可知，拟合成的BiVO₄-NiO_x-rGo-TiO₂-Pt复合新型光催化剂同时具有特殊结构、高的量子效率以及强的太阳光吸收，必将能够实现高效地光催化活性（如水分解产生氧气和氢气）。同时该催化剂实验的实施和完成能够为新颖光催化剂的设计和制备提供一定的技术指导和理论支持。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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基本内容：

（1）制备具有良好形貌的BiVO₄: 利用常温沉淀法合成BiVO₄,探讨反应物酸度pH（氨水体积）条件对其生长形貌的影响;实验流程如下：（见附件）