氮掺杂钙钛矿复合氧化物的合成与催化性能

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录

目 录

摘 要 ....................................................................... I Abstract ..................................................................... II 1 绪 论 ................................................................... 1

1.1 钙钛矿复合氧化物的结构特征 ........................................... 1

1.1.1 理想的钙钛矿结构 ............................................... 1 1.1.2 类钙钛矿结构 ................................................... 2 1.2 钙钛矿复合氧化物的应用 ............................................... 3 1.3 光催化简介 ........................................................... 3

1.3.1 光催化研究背景和现状 ........................................... 3 1.3.2 半导体光催化机理 ............................................... 4 1.3.3 光催化材料的发展 ............................................... 5 1.4 影响ABO3型复合氧化物光催化活性的因素 ................................. 6

1.4.1 B位离子 ....................................................... 6 1.4.2 A位离子 ....................................................... 7 1.4.3 掺杂 ........................................................... 7 1.4.4 粒径 ........................................................... 8 1.5 钙钛矿型复合氧化物的制备方法 ......................................... 9

1.5.1 高温固相法 ..................................................... 9 1.5.2 溶胶-凝胶法 .................................................... 9 1.5.3 共沉淀法 ...................................................... 10 1.5.4 水热法 ........................................................ 10 1.5.5 燃烧法 ........................................................ 10 1.5.6 机械混合法 .................................................... 10 1.6 氮掺杂对钙钛矿型氧化物的催化性能影响 ................................ 11

1.6.1 氮掺杂可见光响应的机理 ........................................ 11 1.6.2 对氮掺杂化合物催化性能的改进 .................................. 11 1.7 苯乙烯环氧化 ........................................................ 12 1.8 课题研究目的 ........................................................ 12

2 实验部分 ............................................................... 14

2.1 仪器与试剂 .......................................................... 14

2.1.1 实验药品及其规格 .............................................. 14 2.1.2 实验仪器及其规格 .............................................. 14 2.2 Nd1-xSrxMnO3粉体的合成 ................................................ 15 2.3 Nd1-xSrxMnO3粉体的氮掺杂 .............................................. 15 2.4 Ag负载N-Nd1-xSrxMnO3制备方法 ......................................... 16

III

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录

2.5 结构表征与催化剂性能检测 ............................................ 16

2.5.1 XRD衍射图谱 .................................................. 16 2.5.2 紫外光催化活性 ................................................ 17 2.5.3 溶液pH值对催化剂催化效率的影响 ............................... 17 2.5.4 可见光催化活性 ................................................ 18 2.5.5 光催化氧化苯乙烯 .............................................. 18

3 结果与讨论 ............................................................ 19

3.1 Nd1-xSrxMnO3的结构表征 ................................................ 19 3.2 Nd1-xSrxMnO3的紫外光催化活性 .......................................... 19 3.3 溶液pH值对催化剂催化活性的影响 ..................................... 20

3.3.1 甲基橙溶液浓度和吸光度的关系曲线 .............................. 20 3.3.2 不同pH值对催化活性的影响 ..................................... 22 3.4 N-Nd1-xSrxMnO3的可见光催化活性 ........................................ 24 3.5 Ag负载N掺杂Nd1-xSrxMnO3的可见光催化氧化活性 ......................... 25

4 结论与展望 ............................................................ 26

4.1 4.2

结论 ................................................................ 26 展望 ................................................................ 26

致谢 ........................................................................ 27 参考文献 ................................................................... 28

IV

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 绪论

1 绪 论

1.1 钙钛矿复合氧化物的结构特征

1.1.1 理想的钙钛矿结构

钙钛矿（Perovskite）一般为六方体或八面体结构，具有浅棕色或棕色光泽。钙钛矿最初是指CaTiO3，由地质学家Gustav Rose在1830年发现，并以俄罗斯地质学家Count Lev Perovski的名字来命名[1]。钙钛矿是地球上含量最多的矿物，据估计在地壳中有超过50%的组成成分是具有钙钛矿型结构的化合物。

理想的钙钛矿晶体ABO3为立方结构，属于空间群Oh-Pm3m，其中A为较大的稀土或碱土阳离子，与12个O配位，位于立方体的中心。B为较小的过渡金属阳离子，与6个O配位，位于6个O组成的八面体中心，如图1.1。其中[2]，RA＞0.090nm，RB＞0.051nm，A-O之间的距离应为20.5a /2 ( a为晶胞参数) ，B-O之间的距离应为0.5a，3种离子半径应满足关系式：RA + RO = 20.5 (RB + RO )。

?A

图1.1 ABO3结构示意图

O B 1

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 绪论

图1.2 钙钛矿的另一种描述

如图1.2所示，也可将钙钛矿晶体视为由BO6八面体共顶点形成的三维网格，A离子则填充于其中的十四面体空穴中。

实际上，有相当多的ABO3型复合氧化物并不满足上述关系式时仍能保持立方结构。为了解释这种情况，Goldschmidt引入了允许因子t[3]，规定：t = (RA + RO ) /20.5 (RB + RO )。当0.75≤t≤1时，ABO3型复合氧化物就能够保持稳定的立方结构。当t=1时为ABO3型复合氧化物处于理想的立方结构，B-O-B键角为180°。

1.1.2 类钙钛矿结构

类钙钛矿结构是由钙钛矿化合物衍生而来的，可看成是由n层钙钛矿层(ABO3)与岩盐层(AO)交替叠合而形成的化合物[4]，当n=1时的K2NiF4结构图如图1.3所示[5]。

图1.3 K2NiF4结构图

2