锡氧化物—二氧化钛纳米带表面异质结及其光催化与气敏性能

发布时间：2017-08-17 10:31

  本文关键词：锡氧化物—二氧化钛纳米带表面异质结及其光催化与气敏性能

  更多相关文章： 锡氧化物 二氧化钛纳米带 二氧化钛纳米带表面异质结构 可见光光催化 室温气体传感器

【摘要】：锡氧化物中锡的多价态和氧空位所导致的独特性能使其具备气体传感、光催化、锂离子电池、超级电容器、透明半导体等方面的应用潜力并因此受到研究者的极大关注。混合价态锡氧化物Sn3O4是一种窄禁带半导体材料,其价带电子在可见光激发下即可跃迁至导带,具有太阳光光谱能量利用方面的优势。然而,当利用Sn304作为光催化剂进行光解水产氢时,不但效率较低,并且仍然需要贵金属做助催化剂,从而增加了材料的应用成本。另外,氧化锡还是一种优异的气敏材料,但普通水热方法制备的氧化锡纳米结构因为暴露面主要为稳定面,并且,电子传输性能差,其气敏性能难以得到提高。为了寻找解决上述问题的有效途径,本论文以一种具有可见光催化性能的鱼鳞状Sn304纳米片为基础,与具有紫外光催化活性的TiO2纳米带结合构建半导体异质结构并进行了在光催化和气敏传感器方面的研究。本论文的主要研究内容如下：1、选取SnCl2·2H2O作为锡源,水热法成核-生长得到鱼鳞状Sn3O4纳米片,纳米片微观尺寸在100至400nm之间,厚度约为10nm,纳米片间交织形成花瓣状空间结构。进一步对制备的Sn304进行元素含量及化学价态表征来确定构成化合物的元素状态。同时分析其紫外-可见漫反射光谱(DRS)、荧光光谱(PL)和光电化学响应曲线(PEC)来初步判断所制备Sn3O4的半导体特性。在此基础上,进行样品的紫外光及可见光光催化解水产氢和光催化降解有机染料的实验。2、以水热法制备的Sn3O4纳米片作为中间体,进一步高温氧化获得Sn02。所获得的Sn02基本保持了纳米片状的微观形貌且暴露面为高能(001)面,气体检测时表面表现出对吸附氧的较强吸收,有利于降低气体传感器响应的工作温度。此外,探究不同加热温度对形成Sn02的影响,及对比基于这种Sn02纳米片构建的气体传感器活性在不同工作温度下对乙醇,甲醇和丙酮的气敏活性,分析气敏活性的工作机理。3、与Ti02纳米带结合,通过简单的水热法构建出一种新型的鱼鳞状Sn3O4/TiO2纳米带表面异质结材料。TiO2纳米带通过碱热法预合成,并在高温下通过硫酸腐蚀得到表面粗糙化的TiO2纳米带。同样地,鱼鳞状的Sn304纳米片可以通过原位合成并通过水热法组装在Ti02纳米带的表面。Sn304的形貌和分布可以简单地通过调节原料中的Sn/Ti原子比来加以控制。比较不同Sn/Ti原子比的异质结材料的光电化学响应和光催化活性进行,寻找最优的Sn/Ti配比,并探究其对材料性能产生影响的可能机理。4、基于Sn304和Ti02纳米带表面异质结的反应,和Sn304高温氧化生成Sn02的启发,采用两步法合成SnO2/TiO2纳米带表面异质结构。首先,水热反应过程中以Ti02纳米带作为支撑材料在其表面外延生长Sn304；随后,将Sn3O4/TiO2进行高温氧化处理得到SnO2/TiO2异质结。考察SnO2/TiO2复合材料相对于单一Sn02或Ti02的气体传感响应变化,并比较不同Sn/Ti原子比对于异质结气敏性能的影响。实验发现所制备的Sn304为黄色粉末,测试表明为n型半导体,带隙能为2.61eV,在可见光激发下能高效地降解有机染料污染物,且可循环利用；Sn304纳米片进一步氧化生成的Sn02纳米片为黑色粉末,相对于Sn304和其他途径合成的Sn02,这种Sn02传感器在气敏应用上表现出对乙醇选择性响应,且响应温度低至43℃,重复性强；由Sn304改性后的Sn3O4/TiO2纳米带表面异质相对于单一相纳米结构的Sn304或Ti02,由于Sn304和TiO间能带匹配和合适Sn/Ti原子比形成的异质结有助于光激发所产生的电子和空穴的传输和有效分离,紫外-可见光光催化性能显著增强；同样改性Sn02构建的SnO2/TiO2纳米片异质结,得益于Sn02纳米片暴露面的高活性、Ti02纳米带对Sn02纳米片的分散作用对检测气体接触面积的增加和电子传导的影响,在43℃到276℃的工作温度区间对乙醇的响应将近两倍于Sn02。综上所述,本文首次将Sn304组装到Ti02纳米带上,形成鱼鳞状Sn3O4/TiO2纳米带表面异质结构,这种材料具有突出的可见光光催化降解有机染料和光解水产氢性能,将在环保和新能源方面具有重要应用前景：通过热处理将Sn304转化成Sn02,实现了高活性面片状Sn02的制备,获得的Sn3O4/TiO2纳米带表面异质结构具有接近室温的气敏特性,将在传感器方面获得应用。
【关键词】：锡氧化物 二氧化钛纳米带 二氧化钛纳米带表面异质结构 可见光光催化 室温气体传感器
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TP212
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-14
• 第一章 综述14-32
• 1.1 引言14
• 1.2 锡的氧化物14-16
• 1.3 锡氧化物的制备16-19
• 1.3.1 Sn_3O_4的制备16-17
• 1.3.2 SnO_2的制备17-19
• 1.4 锡氧化物的应用19-20
• 1.5 二氧化钛纳米带的制备及应用20-22
• 1.6 异质结构复合半导体材料22-23
• 1.7 选题意义及研究内容23-24
• 参考文献24-32
• 第二章 Sn_3O_4和SnO_2制备与性能初步研究32-48
• 2.1 引言32-33
• 2.2 样品制备33-34
• 2.3 样品的表征34
• 2.4 性能评价34-36
• 2.4.1 光催化性能34-35
• 2.4.2 气体传感性能35-36
• 2.5 结果与讨论36-41
• 2.5.1 结构与形貌36-39
• 2.5.2 光催化活性39-40
• 2.5.3 气体传感性能40-41
• 2.6 机理研究41-44
• 2.6.1 Sn_3O_4的吸收光谱41-42
• 2.6.2 气敏性能的理论解释42-44
• 2.7 本章结论44
• 参考文献44-48
• 第三章 水热法构建Sn_3O_4/TiO_2纳米带表面异质结构与光催化48-66
• 3.1 引言48
• 3.2 实验部分48-49
• 3.2.1 化学试剂48-49
• 3.2.2 水热法制备TiO_2纳米带49
• 3.2.3 水热法合成Sn_3O_4/TiO_2纳米带表面异质结构49
• 3.3 结构与形貌49-54
• 3.4 Sn_3O_4/TiO_2纳米带表面异质结构的光催化性能研究54-58
• 3.4.1 光电化学测试54-55
• 3.4.2 光催化降解55-57
• 3.4.3 光催化产氢57-58
• 3.5 机理研究58-62
• 3.5.1 形成机理58-59
• 3.5.2 工作机理59-62
• 3.6 本章结论62-63
• 参考文献63-66
• 第四章 SnO_2/TiO_2表面异质结构的构建及气敏性能研究66-75
• 4.1 引言66
• 4.2 水热-再氧化合成SnO_2/TiO_2纳米带表面异质结构66-67
• 4.3 SnO_2/TiO_2纳米带表面异质结构的结构形貌表征67-69
• 4.4 Sn_3O_4/TiO_2纳米带表面异质结构的气敏性能研究69-70
• 4.5 SnO_2/TiO_2纳米带表面异质结构的气敏性能研究70-72
• 4.6 气敏机理讨论72-73
• 4.7 本章结论73
• 参考文献73-75
• 第五章 全文总结75-78
• 5.1 主要结论75-76
• 5.2 创新点76-77
• 5.3 需进一步开展的工作77-78
• 攻读硕士期间发表的学术论文目录及参与的科研项目78-80
• 致谢80-81
• 附录81-97
• 发明专利97-98
• 学位论文评阅及答辩情况表98

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 袁颂东;曹小艳;王小波;石彪;汪金方;;掺银二氧化钛纳米带的制备及其光催化性能研究[J];材料工程;2009年10期

2 杨志雄;杨金新;刘琦;谢禹鑫;熊翔;欧阳方平;;扶手椅型二硫化钼纳米带的电子结构与边缘修饰[J];物理化学学报;2013年08期

3 ;留美中国专家发现并合成“纳米带”[J];世界科技研究与发展;2001年02期

4 ;纳米带[J];新材料产业;2002年05期

5 杨枣;彭坤;袁缓;刘富生;胡爱平;;纳米带的研究进展[J];材料科学与工艺;2006年05期

6 ;石墨纳米带有望成半导体新材料[J];材料导报;2008年S2期

7 黄岚;张宇;郭志睿;顾宁;;半胱氨酸诱导金纳米带室温合成[J];科学通报;2008年20期

8 王卓华;;温和条件下碲纳米带的稳定性研究[J];建材世界;2009年04期

9 陈伟;付红兵;姚建年;;1,3-二苯基-2-吡唑啉纳米带的制备及其光波导性质[J];高等学校化学学报;2010年03期

10 宋玉哲;董佳敏;刘斌;王运福;李旭东;刘国汉;;硝酸诱导金纳米带的晶种法制备及光谱表征[J];稀有金属材料与工程;2010年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 周中军;李志儒;黄旭日;孙家钟;;氨基取代和锂掺杂纳米带导致大的静态第一超极化率[A];第十届全国计算(机)化学学术会议论文摘要集[C];2009年

2 杨冬;王非;翟雷应;梁建;马淑芳;许并社;;氮化镓纳米带的制备和表征[A];2006年全国功能材料学术年会专辑[C];2006年

3 王彦敏;堵国君;黄林勇;刘宏;王继扬;;单晶铋纳米带的制备与生长机制研究[A];中国晶体学会第四届全国会员代表大会暨学术会议学术论文摘要集[C];2008年

4 刘宏;周伟家;赵振环;田健;王继扬;;二氧化钛纳米带表面异质结构:设计、制备和应用[A];第十六届全国晶体生长与材料学术会议论文集-08纳米晶体及其表征[C];2012年

5 王立峰;;单层石墨纳米带的中弯曲波的非局部弹性理论研究及分子动力学模拟[A];第十二届全国物理力学学术会议论文摘要集[C];2012年

6 查文珂;何莉萍;;石墨烯纳米带掺杂球形磷酸铁锂的制备及性能[A];中国固态离子学暨电池材料青年学术论坛——论文摘要集[C];2013年

7 吕超;陈晓;靖波;;离子自组装制备有机荧光纳米带[A];中国化学会第十二届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2009年

8 李英;马秀良;;ZnO纳米带的电子显微学研究[A];第十三届全国电子显微学会议论文集[C];2004年

9 李英;徐舸;杨春娜;马秀良;;正交相SnO_2纳米带的电子显微学研究[A];2006年全国电子显微学会议论文集[C];2006年

10 李大鹏;王冠中;;氧化物半导体超晶格纳米带自组装生长和结构表征[A];第十六届全国半导体物理学术会议论文摘要集[C];2007年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 柯仁;纳米材料的新朋友“纳米带”[N];北京科技报;2001年

2 柏林记者　张兆军;我合成首例单晶碲化物纳米带[N];科技日报;2007年

3 黄敏;光能“拧弯”物体[N];新华每日电讯;2010年

4 记者 李宏策 刘霞;新法制得高质量石墨烯纳米带[N];科技日报;2014年

5 张小军;留美中国专家发现并合成“纳米带”[N];大众科技报;2001年

6 李宏策;石墨烯纳米带生产新工艺开发成功[N];科技日报;2012年

7 郝钢;我国科学家合成世界首例单晶碲化物纳米带[N];中国有色金属报;2007年

8 记者 刘霞;美首次“种”出石墨烯纳米带[N];科技日报;2013年

9 记者 张小军;发现并合成“纳米带”[N];新华每日电讯;2001年

10 董映璧;新加坡用激光让硫化镉纳米带降温40℃[N];科技日报;2013年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 宋玉玲;硅纳米带及氟饱和氮化铝纳米带的第一性原理研究[D];陕西师范大学;2012年

2 易均辉;钛基底上一维二氧化钛复合光催化剂的制备及其可见光催化性能研究[D];华南理工大学;2015年

3 许冠辰;化学气相沉积法控制合成低维过渡金属硫族化合物的研究[D];山东大学;2015年

4 衡伯军;Cu_2O和CuO纳微米材料的可控制备及性能研究[D];华中师范大学;2013年

5 李兆国;拓扑绝缘体Bi_2Te_2Se纳米带的量子相干输运实验研究[D];南京大学;2014年

6 吴文志;类石墨烯二维材料及其纳米带的物理力学性能研究[D];南京航空航天大学;2013年

7 白慧;硼球烯B_(40)的化学修饰[D];山西大学;2015年

8 张小欧;新型低维材料电磁和输运性质的数值模拟研究[D];南京大学;2015年

9 马玲;改性石墨烯储氢和气敏性质及硅纳米带掺杂特性的第一性原理研究[D];陕西师范大学;2015年

10 郑亚荣;基于廉价金属复合材料电催化剂设计、合成及性能研究[D];中国科学技术大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 孙霞;稀土钙钛矿型氧化物纳米带的制备及光催化性质研究[D];长春理工大学;2011年

2 曹杉杉;锂电池正极材料钒酸铵的制备及其性能研究[D];陕西科技大学;2015年

3 杨鸿玉;基于多壁碳纳米管/氧化石墨烯纳米带的多巴胺非酶传感器研究[D];四川农业大学;2014年

4 白俊强;Ni掺杂TiO_2纳米带阵列薄膜制备及光催化性能[D];浙江大学;2016年

5 李勇;硅碳烯纳米带的电子结构及电场效应的理论研究[D];太原理工大学;2016年

6 刘丽丽;二硫化钼纳米带催化析氢活性及其调控的理论研究[D];太原理工大学;2016年

7 宋刑;低维宽带隙Ⅱ-Ⅵ半导体材料的制备及性能的研究[D];江苏大学;2016年

8 张志祥;层状过渡金属硫化物及其纳米带特性的第一性原理研究[D];华东师范大学;2016年

9 周华;硼氮杂化石墨烯纳米带及碳纳米管的非线性光学性质的理论研究[D];吉林大学;2016年

10 陆晶晶;氧化石墨烯及钛酸盐纳米带的光限幅性能研究[D];福州大学;2013年

，

本文编号：688535