可见—红外光响应光催化复合材料制备及光催化性能研究

发布时间：2020-05-14 22:40

【摘要】：半导体光催化材料在解决环境污染和能源匮乏方面具有广泛的应用前景。但是,由于带隙的限制,传统的半导体材料仅能利用紫外光或者部分可见光。Yb,Tm掺杂的NaYF4是一种上转换荧光材料,能够将长波长的近红外转化为短波长紫外光或者可见光。针对半导体材料不能吸收近红外的弊端,通过将传统的半导体光催化材料与NaYF4:Yb,Tm上转换材料复合,使半导体材料通过上转换过程来利用近红外光,从而达到提高光催化活性的效果。本论文的主要研究内容如下:(1)采用溶剂热法与反微乳液法相结合的制备技术制备了具有亲水性表面的β-NaYF4:Yb,Tm@SiO2,然后通过原位生长法在Si02表面逐渐生长厚度约5nm的CdS壳层,合成了亲水性NaYF4:Yb,Tm@SiO2@CdS复合材料。通过XRD、TEM、PL、XPS对制备的产物进行物相、形貌、荧光特性、元素成分进行了分析。在近红外光的照射下,对有机染料罗丹明B(RhB)进行光催化实验,结果表明,在可见-近红外光(Vis/NIR)的照射下,在35min内,光催化降解率可达78%,比单纯CdS(55%)的催化效率高。(2)以油酸(OA)为模板,采用水热法合成了均匀的六方相NaYF4:Yb,Tm,随后,通过酸化处理使NaYF4:Yb,Tm表面具有亲水性,最后通过原位生长法在其表面沉淀一层厚度为22-25nm、立方相CdS壳层,制备了具有核-壳结构的NaYF4:Yb,Tm@CdS光催化复合材料。采用XRD、XPS、TEM、PL的检测手段对物相、元素成分、形貌和荧光性质进行了表征。在NIR的照射下,以RhB为有机污染物分子,对其光催化活性进行了探索,结果表明,在Vis/NIR的照射下,降解率高达82%,比单纯的CdS提高了 17%。此外,在NIR的照射下,NaYF4:Yb,Tm@CdS在光催化循环实验中表现出良好的稳定性。(3)采用水热法,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为模板、钛酸四丁酯(TBOT)为钛源,在NaYF4:Yb,Tm的表面包覆一层锐钛矿型Ti02壳层,制备了具有核-壳结构的NaYF4:Yb,Tm@Ti02光催化复合材料。通过XRD、XPS、SEM、TEM、FL、UV-Vis光谱对NaYF4:Yb,Tm@TiO2复合物的物相、元素组成、形貌、荧光性质、吸光性质进行了测试表征。分析结果表明,Ti02成功地沉淀在NaYF4:Yb,Tm的表面,可以通过其上转换过程来利用NIR光。光催化实验结果表明,在Vis/NIR的照射下,NaYF4:Yb,Tm@TiO2对RhB的降解率可达53%,其催化活性比单纯Ti02(35%)高,催化速率常数是单纯TiO2的2.1倍。此外,在NIR照射下,NaYF4:Yb,Tm@TiO2复合物在光催化循环实验中展示出良好的稳定性。(4)以N-甲基吡咯烷酮为耦合剂,通过水热法一步合成了 NaYF4:Yb,Trm/ln2S3光催化复合材料。通过XRD、SEM、HRTEM、PL、EDS、BET等仪器对样品的物相、形貌、荧光性质、元素成分和比表面积进行了分析。分析结果表明,在六方相NaYF4:Yb,Tm的表面包覆了 3-7nm、立方相lrn2S3壳层,这使ln2S3可以通过上转换过程吸收NIR光。此外,NaYF4:Yb,Tm@ln2S3复合物具有20.02 m2/g的比表面积,远大于单纯的ln2S3(1.07m2/g),这有利于其提高光催化活性。在Vis/NIR的照射下,对RhB进行光催化实验,实验结果表明,光照16min,该复合物对RhB的吸附率和降解率可达90%,比单纯的ln2S3(50%)高,其表观速率常数是单纯ln2S3的3.22倍。光催化机理研究揭示NaYF4:Yb,Tm/ln2S3光催化复合材料参与光催化反应的主要活性基团是超氧自由基(·Of)。图:88;表:3;参考文献:120
【图文】：

半导体材料,氧化性

的电子跃迁到导带，产生电子，然后在价带上形成等量的空穴，于是就形成具有逡逑还原性的电子和氧化性的空穴对。导带边位置越高，形成的电子具有更高的还原逡逑性；价带位置越低，产生的空穴拥有更高的氧化性［２１］。如图１．１（ｂ）所示，，光生电逡逑子和空穴的部分在材料内部就发生了复合反应。然而，其他部分迁移到半导体材逡逑料的表面可能发生了复合（图１．１（ａ）），且复合产生的能量以热量的形式散失［２２］。逡逑在光催化降解的过程中，一方面，如图１．１（ｄ）所示，产生的光生空穴迁移在逡逑半导体材料的表面与周围的Ｈ２０或－０Ｈ发生作用而生成？０？，而光生电子也能和逡逑0２发生作用而生成？0＝？（图１．１（ｃ））。ＡＨ和＊０２？都具有很强的氧化性，能够把吸附逡逑在半导体催化剂表面的有机物质最终氧化为ＨｚＣＸＣＣｈ和无毒的物质；另一方面，逡逑光生空穴可以直接氧化紧密接触半导体材料表面的有机物［＆２７］。逡逑Ｓｕｒｆａｃｅ邋Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ逡逑，？ａ0逡逑严：茗％逡逑／邋ｎ：：ｅ；；：＇＾：ｈＶ逡逑0２邋Ｖｏｌｕｍｅ邋Ｒｅｃｏｎ＾ｂｉｎａｔｉｏｎ逡逑图１．１半导体材料的光催化反应机理图逡逑Ｆｉ

示意图,上转换机制,示意图

的电子跃迁到导带，产生电子，然后在价带上形成等量的空穴，于是就形成具有逡逑还原性的电子和氧化性的空穴对。导带边位置越高，形成的电子具有更高的还原逡逑性；价带位置越低，产生的空穴拥有更高的氧化性［２１］。如图１．１（ｂ）所示，光生电逡逑子和空穴的部分在材料内部就发生了复合反应。然而，其他部分迁移到半导体材逡逑料的表面可能发生了复合（图１．１（ａ）），且复合产生的能量以热量的形式散失［２２］。逡逑在光催化降解的过程中，一方面，如图１．１（ｄ）所示，产生的光生空穴迁移在逡逑半导体材料的表面与周围的Ｈ２０或－０Ｈ发生作用而生成？０？，而光生电子也能和逡逑0２发生作用而生成？0＝？（图１．１（ｃ））。ＡＨ和＊０２？都具有很强的氧化性，能够把吸附逡逑在半导体催化剂表面的有机物质最终氧化为ＨｚＣＸＣＣｈ和无毒的物质；另一方面，逡逑光生空穴可以直接氧化紧密接触半导体材料表面的有机物［＆２７］。逡逑Ｓｕｒｆａｃｅ邋Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ逡逑，？ａ0逡逑严：茗％逡逑／邋ｎ：：ｅ；；：＇＾：ｈＶ逡逑0２邋Ｖｏｌｕｍｅ邋Ｒｅｃｏｎ＾ｂｉｎａｔｉｏｎ逡逑图１．１半导体材料的光催化反应机理图逡逑Ｆｉ
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O643.36;O644.1;X703

【参考文献】