宽窄带隙半导体环境净化光催化剂的设计与优化

发布时间：2018-04-13 16:01

本文选题：光催化 + TiO_2　；参考：《中国科学技术大学》2017年博士论文

【摘要】：光催化是一种能直接利用自然界中的太阳光实现污染物催化净化的高级氧化技术。光催化剂的性能是决定该技术的主控因素。因此,如何设计、合成和优化高性能光催化剂是该领域的重要科学问题。半导体光催化剂按带隙宽度可以分为不能直接吸收可见光的宽带隙光催化剂以及能直接吸收可见光的窄带隙催化剂两大类。大部分宽带隙催化剂安全、廉价、稳定,但存在无可见光吸收和量子效率低等问题。而窄带隙光催化剂虽然可以吸收可见光,但存在严重的电子空穴复合问题。本论文针对两类光催化剂的上述问题,以典型的宽带隙光催化剂二氧化钛(TiO_2)和窄带隙光催化剂硫化铋(Bi_2S_3)为对象,开展催化剂的设计、制备与优化、反应过程机理解析和污染物净化应用效果评价等研究工作,研发新型高效的半导体纳米光催化剂,建立实现宽带隙催化剂良好可见光响应和强化光催化性能的有效手段,发展提高窄带隙光催化电子空穴分离效率的新策略,进而提高光催化剂的适用范围和催化效率,为其实际应用提供理论指导和技术支撑。论文主要研究内容和成果如下:1.提升TiO_2单晶可见光响应的通用掺杂新方法。掺杂改性的TiO_2在能源和环境领域具有极大的应用潜力,但结晶性好、形态规则晶格缺陷少的暴露{001}晶面的TiO_2单晶很难实现异质元素的掺杂。以废弃的电解液为原料,以六种具有代表性三类异质元素(金属元素、非金属元素和稀土金属元素)为掺杂对象,发展了一种绿色的各类异质元素均可以实现掺杂的通用方法。结果表明,此方法能够将异质元素掺杂进入TiO_2单晶中,而不明显破环TiO_2单晶的形貌;在异质元素掺杂之后,TiO_2单晶的电化学和光化学性能都有了明显的提高。该掺杂方法的建立对于拓展TiO_2单晶的应用潜力具有重要意义。2.介晶结构和高能晶面暴露TiO_2微米棒的制备新方法。TiO_2的晶面暴露、结晶性以及结构特点均对TiO_2的电子空穴分离效率和光催化性能有显著影响。利用阳极氧化和煅烧结合的方法在碳片表面制备了新颖的六角形TiO_2微米棒介晶结构。此微米棒是以一种以中间体支架为支撑,通过填充中间体空间内的TiO_2单晶小颗粒定向自组装形成。研究结果显示这种六角形微米棒介晶不仅具有良好的光催化潜力,同时展现了介孔单晶材料应用于电催化材料的良好潜力。该工作对于TiO_2新型结构的组装设计提供了良好的借鉴。3. Ag/TiO_2特殊结构异质结可见光响应性和光催化效率的提升。利用金属的等离子共振效应能够增强TiO_2的可见光响应和光催化性能。通过油相合成的手段以及光还原的方法调控合成了选择性生长的单个银纳米颗粒和TiO_2特殊结构的异质结材料。光还原过程的反应机理遵循金属纳米颗粒生长的熟化规律。该材料在还原染料亚甲基蓝和产氢实验中均展现了良好的光催化能力。调控单个银纳米颗粒的生长位置、TiO_2基底的形貌和富电子能力均可提高其光催化活性。该工作为TiO_2相关异质结材料的设计和合成提供了新的思路。4. Pd_4S/Bi_2S_3纳米棒异质结光催化剂的制备和光催化性能。硫化四钯(Pd_4S)通常是金属钯催化剂中毒后的副产物,其催化性能极少被关注。通过原位热还原的方法合成了 Pd_4S,使之均匀分布于Bi_2S_3纳米棒上形成新颖的异质结结构。Bi_2S_3纳米棒在该过程中不仅作为合成基底,还是硫源的部分提供者。Pd_4S纳米颗粒强化了 Bi_2S_3光生电子的转移。实验结果显示,所制得的异质结催化剂在难降解污染物阿特拉津的光催化降解中展现了优异性能。该工作拓宽了新型催化剂Pd_4S的应用思路,为其他相关异质结材料的设计和合成提供新的视角。5.三维分级结构MoS_2/Bi_2S_3非贵金属异质结材料的制备和光催化性能。MoS_2和Bi_2S_3 —类的非贵金属硫化物均具有良好的可见光催化能力,但MoS_2/Bi_2S_3异质结的合成较为困难。采用一种独特的水热合成牺牲模板法一步合成了 MoS_2/Bi_2S_3三维花状分级结构。在该过程中Bi_2S_3通过离子交换过程被消耗,而MoS_2则以Bi_2S_3为生长基底实现从单层到多层的生长。所制得的异质结材料具有良好的亲水性、电子空穴分离能力和吸附性能,助催化剂MoS_2与Bi_2S_3存在光催化协同作用,并具备对微量污染物的可见光催化降解能力。该工作为其他相关异质结光催化材料的制备提供了新的方法。
[Abstract]:In order to improve the application potential of TiO _ 2 single crystal , it is very difficult to design , synthesize and optimize high - performance photocatalyst . In order to improve the visible light response and photocatalytic performance of TiO _ 2 , it is possible to improve the photocatalytic activity of Ag / TiO _ 2 - specific structure . The reaction mechanism of the photoreduction process is to improve the photocatalytic activity of single silver nanoparticles and TiO _ 2 - specific structures . The mechanism of photoreduction follows the maturation of metal nanoparticles . The photocatalytical activity of the material is improved by controlling the growth position of single silver nanoparticles , the morphology of TiO _ 2 substrate and the electron - rich ability . The preparation and photocatalytic properties of Pd _ 4S / Bi _ 2S _ 3 nanorods heterojunction photocatalysts were studied . Pd _ 4S was synthesized by means of in - situ thermal reduction .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;O644.1

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