ZnO纳米材料的表面修饰及其光电化学性能研究

发布时间：2020-12-07 15:54

　　现在环境问题（如水污染和大气污染）与能源问题是世界各国,尤其我国普遍存在的两大问题,人们迫切需要找到有效地治理手段和解决方法。最新研究发现,当光照射在光催化材料上时,可以使之激发产生光生电子-空穴对,作为活性物种来分解水中的有机物,从而净化水质。这类材料也可通过制备成光电极,利用光电化学装置,在紫外-可见光照射下产生O₂和H₂,而产生的H₂可以作为清洁能源来替代化石能源,进而减轻大气污染。这些研究是解决当前环境问题与能源问题的科学前沿,能够为人们提供了一种理想的解决问题的途径。随着环境问题与能源危机的日益加重,寻找能够高效利用太阳能的半导体光催化材料,成为科学家们亟待解决的问题。ZnO材料具有带隙合适、电子迁移率高、制备成本低与无污染等优势,适宜作为一种合适的光催化材料。但其又存在电子-空穴对易复合,带隙宽度较宽以及导电性差等特点,限制了其进一步对太阳能的利用。本课题制备了多种形貌结构的ZnO纳米材料,系统地研究了形貌调控对ZnO纳米材料光电化学性能的影响;采用石墨烯和贵金属纳米颗粒等ZnO纳米材料表面修饰手段,通过光照... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)上海市

【文章页数】：139 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

1不同半导体的能带结构图

·OH 的光降解： R-H + ·OH → ·R + H2O （1.8）h+的直接反应： R + h+→ ·R+→ 中间产物/最终降解产物 （1.9）过氧化物的质子化： ·O2-+ ·OH → HOO· （1.10）与电子的共消除： HOO· + e-→ HO2-（1.11）形成 H2O2： HOO-+ H+→ H2O2（1.12）式 1.5 中的 e-TR和 h+TR代表在表面被俘获的导带电子和价带空穴，由于这些俘获的载流子通常在半导体表面具有界限，因此这些被俘获的载流子不会立即在光激发后复合34。如果没有电子消除剂时，光生电子将会和价带中的空穴在纳秒时间内复合并同时释放出光能。因此，电子消除剂的存在能够延长复合的时间并使得光催化可以顺利进行。式 1.6 表明了溶解 O2的存在可以阻止电子-空穴对的复合并产生过氧基团（·O2-）。·O2-可以进一步质子化形成 HOO·随之形成 H2O2如式 1.10-1.12 所示。HOO·自由基的形成同样可以继续捕获电子，因此这些自由

（约等于1%的地球沙漠面积）的太阳能利用率只有10%，在综合太阳能常数AM 1.5 G的前提下，太阳照射一天所能转化的能量即可满足人们所需能量的1/3。在图1.3中描述了一个设想的通过太阳能分解水大规模制备氢气的规划图，站在大规模制备氢气的角度，光催化材料具有更大的使用空间，但是目前为止，光催化材料还有很多问题亟待解决，以ZnO为例，由于它的带隙较宽（3.37 eV），限制了他对太阳光的响应，导致其只可以利用4%的太阳光能。除此之外光生电子空穴对复合几率较高，也限制了它的光催化与光电化学分解水效率。因此，通过新型的纳米结构ZnO复合材料的研究来提高太阳光利用率和光生电子空穴对的分离效率成为人们研究的热点。

【参考文献】：
期刊论文
[1]光催化还原CO2合成太阳燃料半导体光催化剂的设计与制备（英文）[J]. 李鑫,温九青,刘敬祥,方岳平,余家国.  Science China Materials. 2014(01)



本文编号：2903528