氧化亚铜基复合半导体材料的制备及其光催化性能研究

发布时间：2017-10-27 12:23

  本文关键词：氧化亚铜基复合半导体材料的制备及其光催化性能研究

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【摘要】：飞速发展的现代工业致使环境问题日益严峻,传统的处理方式耗时费力且效率比较低,研究人员发现采用光催化技术处理环境污染物具有很好的效果。氧化亚铜作为一种典型的金属缺位P型半导体,禁带宽度2.0-2.2eV,在可见光作用下便可引发光催化反应,由于其独特的物理化学性能已被广泛应用于光催化、光电设备、磁存储介质、传感器件等领域。然而单一的氧化亚铜由于较高的电子空穴复合导致其催化效率较低,越来越多的研究更倾向于将其他半导体与之复合、制备成核壳结构材料、贵金属修饰等手段来降低自身电子空穴复合,增强光催化活性。本论文通过一种简单的方法制备了不同形貌氧化亚铜,并通过建立新型核壳结构体系、贵金属负载、半导体复合等手段制备了不同的氧化亚铜基复合材料,研究了不同复合材料形貌和暴露晶面对光催化性能的影响,进一步探讨了不同体系光催化反应机理。具体研究内容如下：以CuCl2·2H2O、NaOH、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、抗坏血酸(C6H806)为主要原料,在水浴条件下,通过控制表面活性剂PVP加入量成功制备了具有高纯度,良好的分散性立方体、十四面体和八面体氧化亚铜,测试了不同形貌晶体的吸附性能,分析了不同暴露晶面产生的原因和对其吸附性能的影响。结果表明55℃下制备的晶体分散性最好,形貌均一且表面光滑,存在(111)暴露晶面更有利于晶体对污染物分子的吸附。采用十四面体氧化亚铜作为模板,在室温条件下与硫化钠溶液反应,通过控制硫化钠溶液的浓度,制备了不同组分Cu2O-Cu7S4复合半导体材料,复合材料保留了模板剂的形貌和结构,并且随着硫化钠溶液溶度的增大,复合材料呈现出较明显的核壳结构。复合材料相较于纯相氧化亚铜展现出更为优异的光催化性能,不同硫化钠浓度条件下制备的Cu2O-Cu7S4晶体的光催化降解效率也存在一定差异,这是由于刻蚀作用的发生,复合半导体材料晶体表面变得粗糙,壳层材料表面有孔洞出现,核壳结构之间有空隙产生,都有利于污染物分子的传输和吸附,增强光催化反应效率。当硫化钠浓度过大时,出现的核壳结构虽然大大增加了对污染物分子的吸附性能,但同时核壳之间出现的空隙也抑制了电荷的相互转移,光催化效率反而降低。通过一步法在水浴条件下制备了Ag修饰的Cu20复合半导体材料。该一步法制备的复合半导体材料Ag纳米颗粒粒径约为10nm,均匀分散在立方体氧化亚铜的表面。由于贵金属Ag纳米粒子的存在,增强了复合材料对可见光的吸收和响应,降低了光电子和空穴的复合,光催化性能也得到大幅提高。选用十四面体氧化亚铜作为模板剂,在室温下与KBr和Bi(NO3)3·5H2O溶液反应,制备了Cu2O-BiOBr复合材料,制备的复合材料仍然保留了十四面体氧化亚铜模板剂的形貌和结构。Cu2O-BiOBr复合材料相比于纯相Cu20的光催化降解效率大幅提升,Cu2O-BiOBr-3具有最高的光催化降解效率(Cu2O-BiOBr-3Cu2O-BiOBr-5Cu2O-BiOBr-10),这是由于BiOBr以纳米片状形态附着在在氧化亚铜的晶面上,粗糙的晶体表面有利于污染物分子的附着,加快光催化反应的进行；另外BiOBr纳米片与氧化亚铜晶体在两个半导体接触面形成异质结,加快半导体界面之间的电荷转移,提升电子空穴的分离率,提高光催化效率。然而当KBr和Bi(NO3)3·5H2O的浓度过高时,表面的BiOBr纳米片将氧化亚铜表面包覆起来,覆盖了氧化亚铜晶体表面的活性位点,阻碍了晶体对污染物分子的吸附,光催化降解效率反而会降低。
【关键词】：氧化亚铜 核壳结构 一步法 复合光催化剂 光催化性能
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304;O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-24
• 1.1 引言11-12
• 1.2 半导体光催化技术12-15
• 1.2.1 半导体光催化原理12-13
• 1.2.2 影响光催化效率因素13-14
• 1.2.3 提高光催化效率的途径14-15
• 1.3 氧化亚铜半导体材料概述15-16
• 1.4 氧化亚铜材料的制备方法16-21
• 1.5 氧化亚铜半导体光催化材料的研究进展21-22
• 1.6 课题研究的意义及主要内容22-24
• 1.6.1 本课题的研究目的及意义22-23
• 1.6.2 本课题的主要研究内容23-24
• 2 不同形貌氧化亚铜晶体的制备及其光催化性能24-35
• 2.1 引言24
• 2.2 实验部分24-26
• 2.2.1 实验药品和仪器24-25
• 2.2.2 氧化亚铜微纳米晶的制备25
• 2.2.3 制备不同形貌晶体PVP的加入量25
• 2.2.4 性能测试及表征25-26
• 2.2.5 吸附性能测试26
• 2.3 实验结果分析26-33
• 2.3.1 氧化亚铜微纳米晶形成机理26-27
• 2.3.2 不同反应温度样品的形貌分析27-28
• 2.3.3 不同PVP加入量对氧化亚铜形貌的影响28-30
• 2.3.4 晶体生长理论分析30-31
• 2.3.5 XRD测试及分析31-32
• 2.3.6 氧化亚铜样品的FT-IR光谱分析32-33
• 2.3.7 不同形貌样品的吸附性能分析33
• 2.4 本章小结33-35
• 3 Cu_2O-Cu_7S_4核壳结构复合材料的制备及其光催化性能35-46
• 3.1 引言35
• 3.2 实验过程35-36
• 3.2.1 试剂和仪器35
• 3.2.2 Cu_2O晶体的制备35
• 3.2.3 Cu_2-Cu_7S_4核壳结构复合材料的制备35-36
• 3.2.4 性能测试及表征36
• 3.2.5 光催化活性测试36
• 3.3 实验结果分析36-45
• 3.3.1 Cu_2O-Cu_7S_4核壳结构形成机理36-38
• 3.3.2 氧化亚铜晶体的形貌与结构分析38-39
• 3.3.3 Cu_2O-Cu_7S_4复合材料的XRD分析39-40
• 3.3.4 Cu_2O-Cu_7S_4复合材料的XPS分析40
• 3.3.5 Cu_2O-Cu_7S_4复合材料的SEM分析40-42
• 3.3.6 Cu_2O-Cu_7S_4复合材料的TEM分析42
• 3.3.7 Cu_2O-Cu_7S_4复合材料的光电性能分析42-43
• 3.3.8 Cu_2O-Cu_7S_4复合材料的光催化性能分析43-45
• 3.4 本章小结45-46
• 4 一步法合成Ag修饰Cu_2O微纳米复合材料及其光催化性能46-52
• 4.1 引言46
• 4.2 实验过程46-47
• 4.2.1 试剂和仪器46
• 4.2.2 Ag修饰Cu_2O晶体的制备46-47
• 4.2.3 性能测试及表征47
• 4.2.4 光催化活性测试47
• 4.3 实验结果分析47-51
• 4.3.1 XRD分析47-48
• 4.3.2 样品的SEM和TEM表征48-49
• 4.3.3 样品的紫外可见漫反射光谱分析49
• 4.3.4 不同组分样品的光催化性能分析49-50
• 4.3.5 光催化机理分析50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 5 Cu_2O-BiOBr复合材料的制备及其光催化性能52-59
• 5.1 引言52
• 5.2 实验过程52-53
• 5.2.1 试剂和仪器52
• 5.2.2 Cu_2O晶体的制备52
• 5.2.3 Cu_2O-BiOBr复合半导体的制备52-53
• 5.2.4 性能测试及表征53
• 5.2.5 光催化活性测试53
• 5.3 实验结果分析53-57
• 5.3.1 XRD分析53-54
• 5.3.2 SEM分析与表征54-55
• 5.3.3 样品的TEM表征55-56
• 5.3.4 样品的光催化性能分析56-57
• 5.3.5 光催化机理57
• 5.4 本章小结57-59
• 6 结论59-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-71
• 攻读学位期间发表的学术论文71-72

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