稀土金属改性MOFs_TiO2异质结的构建及光催化CO2还原性能.pdf

摘要

摘要

CO2作为主要温室气体导致的温室效应等一系列环境问题引起了人们的广泛

关注，化石燃料在长时间内仍作为主要能源使用的情况下CO2的减排势在必行。

因此，人们有必要通过环保、可再生的方式将CO2转化为高附加值的化学品等产

品，以降低CO的浓度实现碳中和目标。光催化还原CO技术可以将CO在太阳

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光的照射下转化为CH、CO、HCHO、CHOH和HCOOH等太阳能燃料，是解决

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上述一系列问题的一种很有前景的方法。稀土元素具有独特的电子结构，决定了

其特殊的光吸收性能，使得稀土材料具有更宽吸收的光谱。此外，稀土可以作为

电子捕获中心，从而抑制电子-空穴对的复合。金属有机框架（MOFs）具有比表

面积大、结构易于调控等优点，通过稀土改性MOFs可提高其光利用率，从而提

高光催化CO2还原活性。然而，MOFs的光生电子和空穴的复合速率较快且光利

用率较低使得其催化活性不高。有许多半导体光催化剂可供选择，二氧化钛

（TiO）因具有稳定性好、无害、低价等优点而被广泛使用，但仅可以吸收紫外

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光导致了其光利用率低、光生电子与空穴对的快速复合等问题，在光催化CO2还

原反应中，其催化活性仍不理想。

为了解决以上问题，本论文通过稀土铈改性MOFs后与TiO2结合的方法构建

MOFs/TiO2异质结光催化剂来促进光生载流子的分离和传输，从而提高其光催化

CO2还原性能。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线

粉末衍射（XRD）、光致发光光谱（PL）、紫外-可见漫反射光谱（UV-visDRS）、

X射线光电子能谱（XPS）等对催化剂的组成、结构以及光电性能进行表征，并

测试其光催化CO还原性能。研究内容如下：

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（1）以钛酸四丁酯为原料通过水热法制备TiO2纳米片。向TiO2纳米片中加

入钛、铈金属源，通过溶剂热法合成不同比例的MIL-125(Ti/Ce)/TiO复合材料

2

（M/T）。其中M/T-4的光催化还原能力最为优异，CO和CH4的产率分别为11.37

和0.93µmol·g-1·h-1。CO的产率分别比纯TiO、MIL-125(Ti/Ce)和MIL-125(Ti)高

2

4.29、2.07和2.24倍。

（2）以钛酸四丁酯为原料通过水热法制备TiO2纳米片。以锆、铈为金属源，

通过溶剂热法合成UiO-66(Zr/Ce)。进一步采用溶剂蒸发法将不同量的TiO2与

UiO-66(Zr/Ce)结合得到一系列UiO-66(Zr/Ce)/TiO复合材料。其中U1T3的光催化

2

CO还原活性最为优异，CO的产率为17.3µmol·g-1·h-1，分别比纯TiO、UiO-

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摘要

66(Zr/Ce)和UiO-66(Zr)高6.53、1.93倍和3.50倍。

（3）以钛酸四丁酯为原料，通过水热法制备稀土Er改性的TiO纳米片（0.5%