BaCeO3的制备及其光催化性能的研究 开题报告

开题报告

题目： BaCeO3的制备及其

光催化性能的研究

1 毕业设计（论文）综述 1.1题目背景 光催化是一种在光的照射下，自身不发生变化，却可以加快化学反应的速度，光催化利用自然界存在的光能转化成为化学能所需的能量，来产生催化作用，使周围的氧气和水分子激发成极具氧化力的自有负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定律，不造成资源浪费与附加污染形成。最具代表性的例子为植物的“光合作用”，吸收二氧化碳，利用光能转化为氧气和水。光催化技术是从二十世纪70年代逐步发展起来的新能源、新材料和环境保护等领域有着重要应用前景的绿色技术。1972年Fujishima[1]在Nature上报道在光照的TiO2半导体电机与金属电极组成的电池中，可持续发生水的氧化还原反应，产生H2。1976年Carey[2]发现TiO2粉体在光照条件下可非选择性降解有机物，并使之彻底矿化，生成CO2和H2O等无机化合物。从80年代到目前，世界各国研究着广泛开展利用半导体材料对有机污染物进行光催化分解的研究，如对烃类和多环芳烃、卤代芳烃、染料、表面活性剂、农药、油类、氰化物等有机化合物的光催化降解[3-6]。 近几十年以来，钙钛矿型氧化物因其多层次丰富的物理和化学性质而成为功能材料研究的焦点，应用范围也比较广泛。在催化材料方面，钙钛矿型氧化物的比表面积与它的催化活性有关，比表面积大，其催化活性就大，所以可通过制备出颗粒细小的钙钛矿型氧化物纳米粉体，提高比表面积[7]，使其催化活性升高；在热致变材料方面，掺锶和钙的钙钛矿型复合氧化物功能材料能够在外界温度的变化来改变自身的发射率，因此通常用在航空上。这种材料之所以会有这个变化，是因为材料存在的双交换作用，在适当的惨杂范围内存在金属态到绝缘态转变[8]。环境温度高于相变温度时，材料表现绝缘态，发射率低；相反环境温度低于相变温度时，材料转变为绝缘态，发射率高；在固体氧化物燃料电池方面，钙钛矿型复合氧化物可以用来作为性能优异的固体氧化物燃料电池阴极材料[9]，其中Ln1-xSrxFe1-yCoyO3-δ (Ln=La，Pr=Nd，Sm和Gd)材料是研究热点，它不仅降低了固体氧化物燃料电池的使用温度，而且还有比较好的热稳定性和化学稳定性；在铁电材料方面，钙钛矿型氧化物（如钛酸钡）可以用作为性能优异的铁电材料。 钙钛矿型氧化物在一定温度范围内，其晶体结构具有自发极化的现象，同时自发极化强度可以被外加电场反向。换句话来说，其晶体内部产生电耦极子，当晶体外加一定电压时，电耦极子就会在电场作用下排列，使得电压方向发生改变。利用钙钛矿氧化物具有的铁电效应，能够在记忆芯片上表示一个信息单元，即使没有外加电压，电耦极子会保持原来的位置，这样铁电存储器即使没有电源也能保存数据[10-11]。此外，钙钛矿型氧化物在燃烧、汽车尾气净化和烟气还原脱硫等催化方面的也具有广阔的应用前景。

1.2研究目的和意义 铈酸钡(BaCeO3)是一种无机化合物，具有细小的颗粒尺寸、窄的尺寸分布及良好的分散性，使它具有优异的性能和微观结构；具有良好的光催化氧化还原活性，铈酸钡作为催化剂，在紫外光照射条件下，可以将水分解为氢气和氧气；具有高的质子传导率[12-13]，是性能优异的高温质子导体。研究结果表明，它的导带（由自由电子形成的能量空间）由单一的Ce4f轨道构成，明显不同于其他光催化材料的导带构成。BaCeO3是一个稳定高效的新型光催化材料。而且光催化剂的表面是控制其光催化活性的一个重要因素，通过不同的合成条件（合成温度、时间等），会得到不同微观形貌和颗粒大小的光催化材料[14]。 目前，制备BaCeO3粉体的方法主要有固相反应法和液相法。固相反应法由于需经过多次研磨和高温煅烧，易将杂质引入而导致样品不纯而且制得的样品粒度较大；液相法制备粉体因具有纯度高、成分均匀、粒径小等特点而成为制备粉体主要方法，其中Pechini法[15]和溶胶-凝胶法[16]，因其可制得多组分均匀掺杂的钙钛矿型氧化物粉体，成为极具发展前景的制粉方法之一。 本文制备BaCeO3粉体所采用的方法是水热合成法[17]，其特点有：(1)在水溶液中离子混合均匀；(2)水随温度升高和自生压力增大变成一种生态矿化剂，具有非常大的解聚能力。水热物系在有一定矿化剂，化学反应速度快，能制备出多组分货单一组分的超微结晶粉末；(3)离子能够比较容易点化学计量反应，晶粒按其结晶习性生长，在结晶过程中，可把有害杂质自排到溶液当中，生成纯度较高的结晶粉末。因此，采用水热合成法对有机污染物进行光催化降解，使其在环境领域的应用更为广泛。 2 本课题研究的主要内容及采用的研究方案和方法 2.1 主要内容 1) 制备BaCeO3粉体：采用水热合成法； 2）表征和测试：X-射线衍射技术(XRD)、扫描电镜显微术(SEM)、热重及同步分析仪(TGA-DSC)等方法分析BaCeO3粉体的结构和形貌； 3）光催化活性测试：通过光化学反应仪及紫外-可见光谱(UV-Vis)测试并表征BaCeO3粉体对甲基橙的催化活性。 2.2 研究方案 2.2.1 BaCeO3的配制 (1)取0.394ɡ硝酸钡(Ba(NO3)2)、0.658ɡ硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)、0.306ɡ硝酸钾KNO3，放入烧杯中，加30.0mL 10mol/L的氢氧化钾(KOH)溶液，2.0mL氨水（NH3·H2O），在磁力搅拌器上搅拌3-4h； (2)将(1)所的溶液倒入容量为50.0mL带有聚四氟乙烯内衬的密闭高压反应釜中，将反应釜放置在120℃的恒温箱里恒温加热24h，反应冷却后自然冷却到室温；