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摘 要

本文首先对半导体光催剂应用的背景、原理、研究意义和研究现状进行了介绍，然后对钛酸锶材料的特性以及氧空位缺陷的特征进行了阐述，对引入氧空位后半导体光催化剂可能产生的影响也作了描述。接着设计整个实验过程，从钛酸锶材料的制备到钛酸锶表面氧空位的引入，还有导电性的测量，最后对二氧化碳的光催化还原。在整个过程中运用了很多方法去检测分析，包括了XPS图谱分析、XRD图谱分析、紫外可见光吸收谱分析等，也分析了实验的不足和失败的原因。也改变了氢化处理的条件，观察不同情况下引入氧空位后对钛酸锶的影响。通过整个实验过程和各种仪器的分析，逐步验证我们的猜想，实验结果也得出了引入氧空位后的钛酸锶对二氧化碳还原性能的结论。

关键词：钛酸锶 氧空位 二氧化碳 光催化还原

The study of oxygen vacancy on the reduction of CO₂ in SrTiO₃

Abstract

Firstly, we introduce the background, principle, research significance and research status of semiconductor photocatalyst in this paper. Then we describe the characteristics of strontium titanate and the characteristics of oxygen vacancy defects. The possible effects of the introduction of oxygen vacancy on the semiconductor photocatalyst are also described. The whole experiment process is designed from the preparation of strontium titanate to the introduction of the oxygen vacancy on the strontium titanate surface, and the measurement of the conductivity, and finally the photocatalytic reduction of carbon dioxide. In the whole process, many methods have been used to detect and analyze, including XPS analysis, XRD analysis, UV-VIS absorption spectrum analysis and so on, and we also anlyze the reasons for the failure of the experiment. The effects of the oxygen vacancies on the strontium titanate were observed under different conditions. Through the whole experimental process and the analysis of various instruments, our conjectures are gradually verified. The results of the experiment also draw the conclusion that strontium titanate has effect on the carbon dioxide reduction performance after the introduction of oxygen vacancies.

Key Words: Strontium titanate; Oxygen vacancies; Carbon dioxide; Photocatalytic reduction

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 光催化还原机理 1

1.2 钛酸锶 3

1.3 氧空位缺陷 4

第二章 SrTiO₃中氧空位对CO₂还原性能的研究 6

2.1 实验部分 6

2.1.1 实验药品和仪器 6

2.1.2 钛酸锶样品的制备 6

2.1.3 表面氧空位缺陷的形成 8

2.2 XPS图谱分析 9

2.3 XRD图谱分析 9

2.4 导电性的测量 11

2.5 紫外可见吸收光谱分析 13

2.6 引入氧空位的钛酸锶对二氧化碳的光催化还原性 16

结论 18

参考文献 19

致谢 21

第一章 绪论

1.1 背景

自文艺复兴开始引发人们对自然界的思考，大量的科学技术以史无前例的速度迸发出来，进入十八世纪后掀起了工业革命的序幕，随后的整个人类世界渐渐迈入蒸汽时代，石油时代，电气时代，使得我们开始对能源有了新的认识，而由于对于能源的疯狂汲取和不断的追求，导致整个世界出现了非常严重的环境问题和能源问题：由于化石燃料的燃烧，大气中的CO₂比例不断提高使得大气层对太阳光能的吸收增强，全球出现了温室效应，而化石燃料资源也开始枯竭。为了应对这些已经出现的问题，世界各国的科学家也在积极的想出对策。最合理的方案就是充分利用大气中已经存在的CO₂将其进行固定和相关产物的转化，可以生成类似甲烷、乙醇等有机燃料，或者其它一些类似机化工原料。这种做法不仅仅减少了大气中的CO₂含量，缓解温室效应，还为人类提供了资源。因此，如何能够使得CO₂有效的还原是当前的热门课题。

太阳能作为一种非常丰富的可再生能源，经常被人们津津乐道。因为太阳能的安全无害、没有使用成本、不受地理因素限制等特点都是相比与其他能源而体现出的优势，只要能够充分利用，很多能源问题都能迎刃而解。但是目前植物可以直接利用太阳能，我们人类却无法直接使用太阳能。只能将太阳能转化为其他形式，主要有光转换、生物质转换、光电转换和化学转换[1]这四种形式。在这当中，利用太阳能的能量从水中分解得到氢气，是最高效的转换和储存方式，然后把氢气作为燃料燃烧后又重新变成了水，整个的过程非常的环保，不会对环境有影响也能够完全能实现可持续循环。所以对于目前状况而言，能够将太阳能的能量和CO₂的固定转化相结合将会成为一种非常高效方式。

1.2 光催化还原机理

光催化技术开始于20世纪70年代，由藤岛昭和本多建一发现单晶电极可以实现分解水，由此实现了光能到化学能的转变[2]。此后越来越多的人开始研究光催化技术，目前应用比较多的光催化剂半导体有TiO₂、ATaO₃、ZnO、BIVO₄、La掺杂NaTaO₃、WO₃、ZnGa₂O₄、CdS、CuS、Zn₂GeO₄等等，光催化剂半导体由于其光催化反应的高效率、低能耗、无污染、应用范围广等优点已经被运用在环保、化工、材料、化学等领域。

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