单质材料（Se、Bi、Sn）的光催化行为研究

发布时间：2017-11-13 12:13

  本文关键词：单质材料（Se、Bi、Sn）的光催化行为研究

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【摘要】：随着光催化技术的发展,大量的化合物半导体被用作光催化材料,然而广泛的研究表明化合物半导体禁带宽度过大、光稳定差、光量子效率低等缺点严重限制了其自身的发展。为克服多元光催化材料的缺点,大多数研究者往往采用掺杂、复合等方法以调节光催化材料的能带结构,加强材料对可见光的吸收,提高光生载流子的分离效率及材料的光稳定性。然而,单质类光催化材料的出现极大的丰富了目前光催化材料的种类和内涵,其简单的组成和优良的光催化性能使之迅速成为当前光催化研究领域的热点。鉴于此,本论文将开展针对单质类光催化材料的制备、光催化性能以及光催化机理的探索性研究结合不同单质材料的XRD、SEM、TEM、UV-Vis DRS、XPS等表征测试数据和光电测试结果,考察单质薄膜材料晶型、组成、形貌、厚度等对材料光催化性能的影响。主要研究成果如下：1、利用电化学沉积方法成功制备出了非晶态单质硒薄膜,随沉积时间增加会引起薄膜表面形貌发生变化,膜厚对硒薄膜的吸光范围有所影响,且电流时间曲线测试表明膜厚是影响薄膜光电催化性能的重要因素,沉积2小时所得硒薄膜具有最佳的光电催化性能。电化学测试结果表明实验所获硒薄膜为n型半导体,具有较好的可见光吸收性能,可见光下能有效的降解亚甲基蓝。单质硒薄膜的光催化机理与传统半导体化合物光催化剂类似,实现染料的光催化降解。2、利用电沉积法成功制备出了具有半金属性质的单质Bi光催化材料。光电及ESR测试表明金属性的单质Bi在光照下能明确的产生光生载流子,氧化OH-产生羟基自由基。单质铋薄膜表面存在非晶氧化层,除去该层氧化物后铋薄膜的光电流强度提高到原来的4.4倍,说明Bi薄膜的光催化活性源自半金属性的单质Bi。发现电沉积铋薄膜能有效的光氧化降解NO,并有稳定的光催化性能,具备表面等离子体共振和带间跃迁两种光吸收途径。通过对半金属铋的能带结构分析,提出了深层价带能级和导带能级参与的金属光催化反应机理。利用磁控溅射法制备出了具备半金属性质的单质铋薄膜。发现溅射制备的Bi薄膜随膜厚的增加其紫外可见光吸收曲线表现出近似带边吸收的光吸收特性,发现铋薄膜的吸光特征与铋薄膜各向异性的光响应有紧密关系,发现调节铋薄膜的a/b轴比率分布情况可增强铋薄膜的表面等离子体吸光性能。解释了最终光氧化产物为NO2的原因,并提出了NO在溅射铋薄膜上的光氧化降解机理。3、利用电沉积法制备了单质Sn薄膜。与Bi薄膜类似,Sn薄膜表面也存在一层尺寸在纳米范围的非晶氧化层,且光照会导致氧化膜膜厚和晶化程度的增加。实验结果表明Sn薄膜存在带间跃迁和等离子体共振两种光吸收方式,其中前者由表面氧化层中存在的Sn02和SnO的带隙吸收引起,而后者则是由表面氧化层覆盖下金属Sn颗粒的表面等离子体共振吸收引起的。光电实验表明表面氧化膜的厚度或晶型是影响光电流大小的关键因素。光电实验还证明沉积Sn薄膜可以在电辅助条件下光解水产氢。金属Sn颗粒与表面氧化层的功函数的差异,引起Sn02和SnO能带向上发生弯曲,结果导致氧化物的导带电位明显负移,产生了催化氢还原的能力。本论文以单质类光催化材料(Se、Bi、Sn)为研究对象,研究其光催化行为,以光电性能和催化活性为研究重点,探究三种材料的催化机理,本论文采用电化学沉积技术和磁控溅射沉积技术制备硒(Se)、铋(Bi)、锡(Sn)单质光催化薄膜材料。通过改变电化学沉积和溅射沉积参数来获得具有不同形貌、组成颗粒尺寸及厚度的单质薄膜材料。利用电化学测试手段考察不同光照条件下各单质薄膜材料的光电响应曲线,获得相应的光电催化性能。针对不同单质薄膜材料,分别采用染料降解、氮氧化物氧化以及光解水制氢等手段考察材料的光催化活性。
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36

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本文编号：1180627