光催化甲烷和水的反应性能研究

【摘要】：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。 【关键词】：光催化 复合半导体 甲烷 反应活性
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ223.121
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 文献综述12-22
• 1.1 光催化反应研究概况12-18
• 1.1.1 光催化反应原理12-13
• 1.1.2 光催化反应的应用13-15
• 1.1.3 光催化剂的类型15
• 1.1.4 光催化反应的优化途径15-18
• 1.2 光催化氧化甲烷制甲醇的研究进展18-20
• 1.2.1 甲烷直接转化为甲醇的研究意义18
• 1.2.2 气相体系中转化甲烷18-19
• 1.2.3 多相体系中转化甲烷19
• 1.2.4 光催化甲烷和氧制甲醇19-20
• 1.3 论文的选题思路、目的及内容20-22
• 1.3.1 问题的提出20
• 1.3.2 研究的主要内容20-22
• 2 实验内容与方法22-28
• 2.1 实验试剂及仪器22-23
• 2.1.1 实验试剂22
• 2.1.2 实验仪器22-23
• 2.2 催化剂的制备23-24
• 2.2.1 催化剂的选型23
• 2.2.2 催化剂制备方法23-24
• 2.3 紫外光照下光催化甲烷和水制甲醇24-26
• 2.4 催化剂表征26-27
• 2.4.1 X射线衍射分析(XRD)26
• 2.4.2 傅立叶变换透射红外分析(FT-IR)26
• 2.4.3 紫外可见漫反射分析(UV-VIS)26-27
• 2.5 产物分析及表征27-28
• 2.5.1 气质联用仪(GC-MS)27
• 2.5.2 红外光谱分析(IR)27
• 2.5.3 产物定量分析27-28
• 3 纳米WO_3-TiO_2复合材料的光催化性能研究28-40
• 3.1 WO_3-TiO_2的结构分析28-30
• 3.1.1 XRD结果分析28-29
• 3.1.2 IR结果分析29
• 3.1.3 WO_3-TiO_2的表面形态与结构基元29-30
• 3.2 WO_3-TiO_2的光响应性能30-31
• 3.3 WO_3-TiO_2的光催化反应性能分析31-34
• 3.3.1 WO_3掺杂量对光催化性能的影响31-33
• 3.3.2 煅烧温度对光催化性能的影响33-34
• 3.4 掺Cu对WO_3-TiO_2的性能影响34-38
• 3.4.1 Cu/WO_3-TiO_2催化剂结构34-36
• 3.4.2 Cu/WO_3-TiO_2催化剂光响应性能36-38
• 3.5 小结38-40
• 4 纳米Cu/WO_3-TiO_2光催化甲烷和水制甲醇40-54
• 4.1 反应条件对反应性能的影响40-48
• 4.1.1 反应温度的影响40-42
• 4.1.2 催化剂用量的影响42-44
• 4.1.3 反应物配比的影响44-46
• 4.1.4 光照时间的影响46-48
• 4.2 复合半导体材料光催化甲烷和水的反应机理48-53
• 4.2.1 复合半导体光催化甲烷和水的反应机理48-50
• 4.2.2 复合半导体负载Cu表面光催化反应机理50-51
• 4.2.3 半导体复合效应对光催化反应性能的影响51
• 4.2.4 负载金属对光催化反应性能的影响51-52
• 4.2.5 催化剂光吸收性能对光催化反应性能的影响52
• 4.2.6 “光—表面一热”协同效应对光催化反应性能的影响52-53
• 4.3 小结53-54
• 5 结论54-55
• 参考文献55-59
• 致谢59-60
• 作者简介及论文发表情况60

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