论文总字数：15578字

摘 要

当化石燃料不断地被人类所消耗，随之迎来的就是环境污染与供不应求的问题。因此寻找清洁的新能源成了当今社会的一大热点，同时也是能够解决这两种问题的好办法。光催化技术是利用太阳能使水发生氧化还原反应，从而产生氢气作为清洁能源使用。但目前这项技术还处于发展阶段，有很大的探索空间。

在已知的几种光催化材料中，本文选择了SrTiO₃作为研究对象。SrTiO₃是一种具有良好电子-空穴分离与运输的光催化材料。但由于它的带隙较宽，并且对紫外线的吸收利用率较差，因此光催化效率较低。在一次报道中，SrTiO₃无需偏压就实现了分解水制氢的过程。然而其并非为纯SrTiO₃，而是经氢气还原的灰色样品。并且样品无可见光性能，所以推断是氧空位对光催化产生了影响。

氧空位的作用并不仅仅是增加可见光的吸收。经文献调研发现氧空位还可以提高电子-空穴分离效率。本论文将解释光催化分解水产氢的基本原理，主要结论是SrTiO₃上的氧空位并不是通过提高可见光吸收能力来提高产氢性能。要实现水产氢性能的分解效率，可以利用电子-空穴分离效率的提升来实现。

关键词：光催化技术 光催化分解水产氢 氧空位 SrTiO₃

Abstract

When fossil fuels are continuously consumed by humans, the problem of environmental pollution and shortage of supply is followed. Therefore, the search for clean new energy has become a hot spot in today's society, and it is also a good way to solve these two problems. Photocatalysis technology is the use of solar energy to split water into H₂ and O₂, resulting in the use of hydrogen as a clean energy. However, at present, this technology is still in the development stage and there is much room for exploration.

Among several known photocatalytic materials, SrTiO₃ was selected as the research object. SrTiO₃ is a photocatalytic material with good electron-hole separation and transport. However, due to its wide band gap and poor UV absorption and utilization, the photocatalytic efficiency is low. In one report,SrTiO₃ realized the process of decomposing water into hydrogen without bias. However, it is not pure SrTiO₃ but a gray sample reduced by hydrogen. And the sample has no-visible light performance, so it is inferred that oxygen vacancies have an effect on photocatalysis.

The role of oxygen vacancies does not merely increase the absorption of visible light. Through literature investigation, it was found that oxygen vacancies can also improve the electron-hole separation efficiency. This paper will explain the basic principle of photocatalytic decomposition of hydrogen from aquatic products. The main conclusion is that the oxygen vacancies on SrTiO3 do not improve the hydrogen production performance by increasing the absorption of visible light. Instead, it improves the electron-hole separation efficiency to improve the photocatalytic performance of hydrogen decomposing into water.

Key Words : photocatalysis technology；photocatalytic water splitting；oxygen vacancies；SrTiO₃

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 半导体光催化分解水制氢的基本原理 1

1.3 光催化材料催化反应的必要条件 2

1.4 光催化材料催化性能的影响因素 2

1.5 氧空位 2

1.6 半导体光催化剂的选择 3

1.7 SrTiO3半导体光催化材料 4

第二章 实验部分 5

2.1 样品制备所需试剂与药品 5

2.2实验仪器 5

2.3样品的制备 6

2.4 表征手段 7

2.4.1 X射线衍射分析 7

2.4.2 X射线光电子能谱 8

2.4.3 紫外可见吸收光谱 8

2.5 物理特性表征及分析 8

2.5.1晶体结构 8

2.5.2 元素分析 10

2.5.3 光吸收特性 11

2.6光催化水解制氢实验 11

结论与展望 14

参考文献 15

致谢 17

第一章 绪论

1.1 引言

21世纪，新能源成了全球共同关注的问题。在人类进入工业革命后，经济迅速发展，拓宽了物质的丰富，与此同时也消耗掉了珍贵的资源，例如石油、煤矿、天然气等，它们都是不可再生资源。以石油的全球储量统计结果来看，目前的储量可以满足人类社会50年内的使用需求，煤炭与天然气储量大约可以维持160年和70年的使用量[1]。对于人类社会来说，新型可再生能源的探索成为当务之急，紧接着科学家们就想到了利用半导体光催化作用来创造能源的办法。并且半导体光催化产生的能源为清洁的、最理想的能源。其中氢能热值高[2]，且燃烧产物为水，无其他废物的特点，都是其在社会各个层面受到重视的原因。1972年，Fujishimamp;Honda等对TiO₂光电极板进行研究后，认为这种半导体单晶光电极的功能，在于将紫外光照进行水解后生成氢气[3]。由此开启了光催化材料为介质的研究时代，光照分解水产氢成为新的研究方向。

1.2 半导体光催化分解水制氢的基本原理

图1-1中，就是具体的水制氢步骤[4].原理解释如下：半导体受到光照后激发电子迁移，从价带跃迁到导带上，此处可以形成光生电子，价带是形成空穴的场所，是应用光生电子时，空穴会在不同氧化还原反应中实现水产氢的目标[5][6]。

图1-1 半导体光催化分解水制氢过程

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