绝缘体基异质结的构建及光催化净化NO_X的反应机理

发布时间：2020-07-06 23:45

【摘要】：空气污染已经成为社会可持续发展不可忽视的严峻问题。低浓度的NOx排放到空气中,不仅威胁着人类健康生活,而且会导致酸雨、光化学烟雾和PM2.5等二次污染的环境问题。可见光催化技术作为一种环保,可直接利用清洁的太阳能驱动,对于低浓度污染物的净化具有极大的应用前景。因此,为了能实现光催化技术的环境应用,所使用的光催化剂不仅需要拥有高效可见光催化性能,还应满足性能稳定,低成本,储量丰富,廉价易制备等方面的要求。陶瓷,玻璃和建筑水泥是身边随处可见的廉价材料,其主要成分多为地球上含量丰富、便宜易得的绝缘体,如:CaSO_4,SrCO_3,BaCO_3等。这些材料之所以被称为绝缘体,仅仅是因为它们的禁带宽度比半导体材料的更宽一些,自然状态下太阳光中的光子能量不足以将其激发。因此,光催化研究者几乎没有将其考虑作为光催化剂,从而一直被忽视。最近,董帆等人发现有缺陷的绝缘体,由于在禁带中有缺陷介导的中间能级的形成,在紫外光照射下显示出良好的光催化活性。如果对绝缘体材料进行改性,使其具有高效可见光催化作用,那么绝缘体将会成为最佳光催化剂候选者。因此,借鉴对宽带隙半导体光催化剂改性的方法,本文中我们采用构建绝缘体基异质结的方法,诱导光生电子从半导体高效分离、转移至绝缘体,实现优异的可见光催化性能。我们利用常温化学沉淀法制备绝缘体碳酸钡和碘氧化铋复合的绝缘体-半导体异质结,通过紧密结合界面处原子之间的共价相互作用,预先形成电荷传输通道,利用电势差驱动光生电子被有效分离并定向传输至绝缘体导带。这些大量的自由电子促进自由基的生成,将NO优先氧化为高价态中间产物,促进终产物的生成。构建含有大量自由电子的硫酸钙-碘氧化铋异质结界面,利用实验和理论计算相结合的方法,探究绝缘体基异质结界面富电子环境对光催化NO净化反应过程的影响,发现界面富电子环境可以将难净化污染物有效活化后,促进其向终产物转化,而且可以生成新的活性物种为惰性污染物提供新的转化途径,从而达到高效、无毒的光催化净化过程。此外,绝缘体基异质结光催化净化Nox反应机理仍未被探究,我们基于原位红外表征手段阐明绝缘体基异质结光催化净化NO反应过程,发现绝缘体基异质结能通过NO→NO~+和NO_2~+→硝酸盐或亚硝酸盐的路径高效将NO转化为无毒的终产物。这为探索地球含量丰富的绝缘体作为可见光催化提供了大量机会,并且还提供了对气相光催化和控制空气污染中的作用机制的新理解。
【学位授予单位】：重庆工商大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X701
【图文】：

示意图,异质结,电子空穴对,能带结构

第一章绪论构建一个能引导电子和空穴向相反方向转移的内建电场（如图 1.1 所示）高于或等于光催化剂带隙的光子照射 p-n 异质结时，光生电子-空穴对能荷区域中的内建电场快速分离。在电场的驱动下，电子将转移到 n 型材上，空穴将转移到 p 型材料的价带上[57]。在这种 p-n 型异质结的结构中，优点：（1）电荷可以有效分离；（2）电荷可以快速转移到催化剂上；（3）命较长；（4）局部不相容的还原和氧化反应在纳米空间中被分离[56]。这些 p-n 型异质结具有更强的光催化性能。除了 p-n 异质结构，还有非 p-n 异其中最适合光催化应用的是交错能带结构类型[47]。

反应器系统,光催化,气路

标准 NO、饱和水蒸气和高纯度空气进行配气。模拟 NO 的浓度范~1000ppb（通过美国热电 NO 分析仪测定），相对湿度为 30~80%。通过调路的流量，对湿度和污染物的浓度进行调节采用标准空气和原始浓度为（1ppm=1mg/m3）的 NO 标准气体来配置低浓度的 NO。调节空气流速为in，NO 气体流速为 15mL/min，通过三通阀将空气流和 NO 气流混合。将 NO 通入反应器中，待达到吸附-脱附平衡后开灯。利用 NOx 分析仪（Thentific，42i-TL，美国）每隔 1min 进行采样检测并记录 NO，NO2以及 NOxO2）的浓度。反应装置如图 2.1 所示。光催化净化稳定性评价：对可见光催化活性优异的催化剂，连续光照 24分析催化剂在光照下的光化学稳定性。NO 的去除率（η）可用下式计算：η（%）=（1 C/C0） 100%，C 代表开灯后反应器出口处的 NO 浓度,C0代表开灯前达到吸附解吸平O 浓度。

原位红外

图 2.2 原位红外装置示意图.Figure 2.2 The designed reaction system for the in situ DRIFTS signal recording.

【参考文献】