光催化甲烷和水的反应性能研究

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光催化甲烷制甲醇是当今学者所关注和研究的重要课题之一。本文研究利用复合半导体材料,在气-固相光催化体系中光催化氧化甲烷和水制甲醇。系统的研究探讨所制材料的结构、组成、光响应性能、光催化活性以及制备工艺,并推测了反应机理。采用溶胶-凝胶法制备WO3-TiO2纳米复合催化剂,浸渍法制备Cu/WO3-TiO2催化剂。通过XRD、IR、UVDRS技术对材料进行表征,并研究利用该催化剂,在气-固相体系下光催化甲烷和水制甲醇:实验表明煅烧温度、WO3掺杂量以及金属Cu的负载会对催化剂性能产生影响。结果表明:掺入WO3使TiO2光催化活性提高,扩大了光激发波长范围;金属Cu的掺入使材料对紫外光吸收增加,复合半导体发生蓝移,材料的光响应范围在Cu掺入后得到拓宽,材料的对可见光的吸收增强;催化剂煅烧温度为600℃、WO3摩尔分数为10%,金属Cu摩尔分数为1%时,光催化性能最佳。实验研究反应条件对反应过程的影响。研究表明,反应温度、催化剂用量、反应物配比、光照时间均对反应产生一定影响。结果表明:160℃时,催化剂用量为0.7g,n(CH4)/n(H2O)为1.4,光照60min下,此时光催化反应活性最佳,甲烷转化率为6.8%,甲醇选择性为22%。综合各项研究,推测出纳米复合半导体材料光催化氧化甲烷和水的反应机理,以及复合效应、金属负载和光吸收性能对复合半导体负载金属的光催化性能的影响。
摘要第5-6页
Abstract第6页
引言第11-12页
1 文献综述第12-22页
    1.1 光催化反应研究概况第12-18页
        1.1.1 光催化反应原理第12-13页
        1.1.2 光催化反应的应用第13-15页
        1.1.3 光催化剂的类型第15页
        1.1.4 光催化反应的优化途径第15-18页
    1.2 光催化氧化甲烷制甲醇的研究进展第18-20页
        1.2.1 甲烷直接转化为甲醇的研究意义第18页
        1.2.2 气相体系中转化甲烷第18-19页
        1.2.3 多相体系中转化甲烷第19页
        1.2.4 光催化甲烷和氧制甲醇第19-20页
    1.3 论文的选题思路、目的及内容第20-22页
        1.3.1 问题的提出第20页
        1.3.2 研究的主要内容第20-22页
2 实验内容与方法第22-28页
    2.1 实验试剂及仪器第22-23页
        2.1.1 实验试剂第22页
        2.1.2 实验仪器第22-23页
    2.2 催化剂的制备第23-24页
        2.2.1 催化剂的选型第23页
        2.2.2 催化剂制备方法第23-24页
    2.3 紫外光照下光催化甲烷和水制甲醇第24-26页
    2.4 催化剂表征第26-27页
        2.4.1 X射线衍射分析(XRD)第26页
        2.4.2 傅立叶变换透射红外分析(FT-IR)第26页
        2.4.3 紫外可见漫反射分析(UV-VIS)第26-27页
    2.5 产物分析及表征第27-28页
        2.5.1 气质联用仪(GC-MS)第27页
        2.5.2 红外光谱分析(IR)第27页
        2.5.3 产物定量分析第27-28页
3 纳米WO_3-TiO_2复合材料的光催化性能研究第28-40页
    3.1 WO_3-TiO_2的结构分析第28-30页
        3.1.1 XRD结果分析第28-29页
        3.1.2 IR结果分析第29页
        3.1.3 WO_3-TiO_2的表面形态与结构基元第29-30页
    3.2 WO_3-TiO_2的光响应性能第30-31页
    3.3 WO_3-TiO_2的光催化反应性能分析第31-34页
        3.3.1 WO_3掺杂量对光催化性能的影响第31-33页
        3.3.2 煅烧温度对光催化性能的影响第33-34页
    3.4 掺Cu对WO_3-TiO_2的性能影响第34-38页
        3.4.1 Cu/WO_3-TiO_2催化剂结构第34-36页
        3.4.2 Cu/WO_3-TiO_2催化剂光响应性能第36-38页
    3.5 小结第38-40页
4 纳米Cu/WO_3-TiO_2光催化甲烷和水制甲醇第40-54页
    4.1 反应条件对反应性能的影响第40-48页
        4.1.1 反应温度的影响第40-42页
        4.1.2 催化剂用量的影响第42-44页
        4.1.3 反应物配比的影响第44-46页
        4.1.4 光照时间的影响第46-48页
    4.2 复合半导体材料光催化甲烷和水的反应机理第48-53页
        4.2.1 复合半导体光催化甲烷和水的反应机理第48-50页
        4.2.2 复合半导体负载Cu表面光催化反应机理第50-51页
        4.2.3 半导体复合效应对光催化反应性能的影响第51页
        4.2.4 负载金属对光催化反应性能的影响第51-52页
        4.2.5 催化剂光吸收性能对光催化反应性能的影响第52页
        4.2.6 “光—表面一热”协同效应对光催化反应性能的影响第52-53页
    4.3 小结第53-54页
5 结论第54-55页
参考文献第55-59页
致谢第59-60页
作者简介及论文发表情况第60页
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