改性氧化锌材料的光生电荷行为及光催化活性研究

发布时间：2016-09-17 15:00

  本文关键词：界面型光催化材料的光生电荷行为调控与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2013年

改性氧化锌材料的光生电荷行为及光催化活性研究

卢永春  

【摘要】：基于半导体材料的光催化剂，能够实现将太阳能向化学能的转化，是解决诸多与环境相关问题的一种非常理想的方案。氧化性（ZnO），作为一种典型的II–VI族半导体材料，由于具有优良的光电性质使其在太阳能研究领域中备受关注，且已经成为一种非常具有前景的降解环境有机污染物的光催化材料。另外，ZnO还具有制备方法简单、形貌多样化、无毒、化学稳定性好和廉价等优点，并在光催化反应中表现出与TiO_2相似的降解机理，而成为了替代传统TiO_2光催化剂的最佳选择之一。但是由于ZnO禁带宽度较宽、太阳光利用率低以及量子效率低等缺点限制了其在光催化领域的深入研究和实际应用。通过贵金属修饰、过渡金属掺杂等有效改性技术能够使得ZnO获得理想光电特性，预示着ZnO新的应用前景。但是关于改性元素对ZnO光催化材料的光生电荷基本行为（光生电荷的产生、分离、传输和寿命等）规律影响的相关报道却很少，而光生电荷行为的研究与太阳能转换、光催化等研究领域密切相关，是表面和界面科学的前沿课题。 本论文的工作是通过贵金属Ag负载、过渡金属离子（Co和Mn）掺杂和贵金属Pt负载Co掺杂实现对ZnO基紫外型光催化剂的改性，利用表面光电压/光电流技术（包括表面光电压（SPS）、瞬态光电压（TPV）和表面光电流（SPC）技术）为主要研究手段系统研究了不同的改性元素对于ZnO光生电荷行为以及光催化活性的影响，随后讨论电荷行为与光催化活性之间的关系，并将改性后ZnO材料所表现出的独特光电性质进行归属。围绕以上内容，主要开展了以下几个方面的工作： 1．利用溶胶-凝胶方法制备了Ag负载的链状ZnO（Ag/ZnO）光催化剂，并对材料进行了系统的表征和光电性质研究。表面光电压和瞬态光电压研究结果表明：Ag的负载不但有效地提高了光生电子和空穴的分离效率，而且还实现了ZnO光响应范围向可见光区的扩展。在不同波段光照射下，Ag纳米粒子对于ZnO光电性质的作用不同：在紫外光照射下，Ag作为电子受体存在，接受ZnO导带中的光生电子，促进了光生电荷的分离；可见光照射下，由于Ag自身的Plasmon诱导电子传输致使材料表现出光响应范围向可见光区的扩展。基于这一优异的光电性质对样品进行了光催化活性测试，，与在相同实验条件下制备的单纯ZnO相比较，Ag负载后的样品在紫外光和混合光照射下都表现出较好的光催化性能。这些信息将有助于优化高效光催化剂的设计条件，并实现对其光生电荷行为的调控。 2．利用溶剂热方法制备了一系列Co掺杂的ZnO（Co:ZnO）纳米棒光催化剂，实验表征证明Co离子进入到了ZnO的晶格并以混合价态（Co~(2+)和Co~(3+)）形式存在。Co的掺杂不仅有效地将ZnO的光谱响应范围扩展到了可见光区，并且与单纯ZnO相比，在λ420nm可见光照射下的光催化实验中掺杂后的样品表现出优异的可见光催化活性。借助表面光电压谱检测技术，细节讨论了Co:ZnO样品的可见光催化活性增强的光物理机制，结果表明Co与ZnO之间的电荷转移跃对于ZnO的可见光响应能力起主要贡献，这种跃迁作用有利于光生电荷的分离和传输，同时，有效地降低了光生电子和空穴的复合几率。这些结果为设计新型的光催化剂、改变材料对入射光波长的响应范围、实现低能（可见）光催化反应的发生提供了理论依据。 3．利用溶剂热方法有针对性地制备了混合价态Mn离子（Mn~(3+)/Mn~(2+)）掺杂的ZnO（Mn:ZnO）纳米棒光催化剂。Mn的掺入扩展了ZnO在可见光区的吸收，并使得ZnO在紫外和可见照射下催化活性都有显著的提高。基于表面光电压、瞬态光电压和表面光电流的检测结果分析表明，随着Mn掺杂比例的升高，体系中Mn~(3+)含量增加，Mn~(3+)和Mn~(2+)与ZnO之间发生了强的电子交互作用，并且Mn~(3+)作为表面活性位存在于体系中，因此有效地提高了光生电荷的分离效率，同时延长了光生电荷寿命，进而实现了掺杂后样品在紫外和可见区光电响应信号的增强，这为体系光催化活性的提高提供了有利的论证依据。 4．在基于第二部分Co掺杂ZnO纳米棒的工作基础上，进一步以氯铂酸（H_2PtCl_6）作为Pt源制备了Pt负载的Co:ZnO杂化体系（Pt/Co:ZnO）光催化剂。与单纯ZnO和前驱体Co:ZnO相比，杂化体系在紫外和可见光区都显示了较强的光活性，在可见光激发下，Pt/Co:ZnO光催化剂仅需6min就能完全降解茜素红染料，降解速率约为Co:ZnO前驱体的10倍。表面光电压和瞬态光电压研究结果表明：Pt/Co:ZnO杂化体系优越的光催化活性主要归因于Pt和Co与ZnO之间的协同效应，由于Pt的负载使得Co掺杂后ZnO中作为光生电荷复合中心存在的表面缺陷被修复，并且能够为局域态光生电荷提供了快速的传输路径，因此在Pt负载和Co掺杂的共同作用，不仅促进了光生电荷的分离并抑制了其复合，而且提高了ZnO的光吸收效率，因此使得催化剂在紫外及可见光区均具有高效的光催化活性及增强的光电特性，提高了太阳光利用率。这些研究内容，为设计新型高效的改性ZnO基光催化剂提供了必要的实验基础和理论依据。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O643.32
【目录】：

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