二硫化钼—二氧化钛界面结构调控及可见光催化性能研究

发布时间：2020-04-06 16:59

【摘要】：半导体光催化技术是解决人类面临的两大严峻问题即环境污染和能源危机的重要途径之一。利用半导体光催化技术降解污染物和分解水制氢是能源领域的研究热点之一。但是,目前的光催化材料其效率都较低,影响光催化效率的关键因素包括:太阳光的充分吸收和利用;载流子的有效分离和传输;表面的氧化还原化学反应。近年来,国内外研究学者通过构建半导体异质结光催化复合材料来调控光生电子-空穴的分离、迁移和传输获得优异的光催化效率。本文通过两种带隙、电子结构相匹配的半导体材料二硫化钼、二氧化钛来构筑异质结,通过调节异质结的界面结构:有效的界面电荷的转移;大的界面比表面积的有效利用;强的界面电荷束缚来提高复合材料的光催化效率。主要研究内容如下:首先,在第二章中利用水热法在钛基底上合成二氧化钛纳米线阵列薄膜,通过改变钼源(钼酸钠)和硫源(硫代乙酰胺)的摩尔比,合成出不同担载量的二硫化钼-二氧化钛(MoS_2-TiO_2)复合材料。通过XRD、Raman、SEM、TEM、UV-vis等表征手段证明了六方晶相的二硫化钼纳米片包裹在锐钛矿相的二氧化钛纳米线上,形成了异质结,并且随着二硫化钼担载量的增多,复合材料在可见光区的吸收增强。随后对复合材料的荧光及光电流进行了测试及分析,结果表明随着二硫化钼担载量的增多荧光强度逐渐减弱,而光电流则逐渐增大,说明光生电子和空穴的分离效率增强。进一步对一系列复合材料进行可见光下降解有机污染物的实验研究,结果表明在可见光作用下,6%-MoS_2-TiO_2作为光催化剂在1 h内把罗丹明B(RhB)降解了90%以上,材料的光催化效率比二氧化钛纳米线阵列薄膜有了较大的提高,是由于异质结的形成促进了界面光生电子和空穴的有效分离和传输。在第三章中,通过两步水热法以PS球(聚苯乙烯微球)为模板合成了复合材料PS/TiO_2/MoS_2,进一步在氮气气氛下退火形成中空结构的C/TiO_2/MoS_2复合材料。随后通过SEM、TEM、XRD、Raman表征手段对材料的形貌及晶相结构进行表征,结果表明,PS/TiO_2/MoS_2是球状的,退火后形成的C/TiO_2/MoS_2是中空结构的,合成的二氧化钛、二硫化钼分别属于锐钛矿相及六方晶相,并且Raman结果显示有石墨碳的存在。UV-vis表明C/TiO_2/MoS_2在可见光区的吸收显著增强,荧光光谱和光电流分析测试结果表明C/TiO_2/MoS_2的荧光强度最低,光电流比二氧化钛中空球明显提高,说明异质结的形成和比表面积的增加有利于光生电子和空穴的分离和传输,从而使光催化效率明显提高。随后对复合材料进行了可见光下的光降解染料评价及全光谱下的光解水产氢实验,结果表明,C/TiO_2/MoS_2作为光催化剂,在可见光作用下2 h内RhB降解了约92%,在全光谱照射下产氢速率为37.08μmol/(g?h),对比二氧化钛中空球催化效率有了明显的提高。C/TiO_2/MoS_2催化效率的提高是由于材料比表面积的变化、石墨碳的存在以及二氧化钛、二硫化钼异质结的形成共同促进了光生电子和空穴的分离和传输。由于两种材料界面强的束缚有利于界面电荷的有效传输,因此在第四章中我们利用乙酸调节pH值来调控二硫化钼、二氧化钛的表面电荷,使两种材料表面带相反电荷,可以增加MoS_2、TiO_2(在第四章中使用的材料是前面两章合成的)的界面接触面积,来合成TiO_2-MoS_2复合材料。将通过pH调节的复合材料(P-TiO_2-MoS_2)和机械复合的材料(M-TiO_2-MoS_2)作对比进行了一系列分析测试,光吸收光谱结果显示两种途径合成的复合材料P-TiO_2-MoS_2和M-TiO_2-MoS_2的吸收都扩展到了可见光区,但是P-TiO_2-MoS_2的荧光强度明显较低,说明电子和空穴复合的几率较小。随后对材料进行了可见光下的光降解染料性能评价及全光谱下的光解水产氢实验,结果表明,P-TiO_2-MoS_2作为光催化剂,在2 h内RhB降解了约80%,而在全光谱照射下产氢速率为28.8μmol/(g?h),比机械混合的复合材料光催化性能提高不多,可能是由于制备的复合材料缺陷较多充当了电子-空穴的复合中心所致。
【图文】：

图 1-1 MoS2的结构图[20]化的原理及存在的问题化剂的基本原理角度来分析，是指半导体材料在受到光的发生的一系列氧化还原反应。半导体光催化—如二氧化钛，受到能量大于或等于 380子(e-)就会获得能量跃迁到能级较高的导)，由于电子和空穴的作用，在二氧化钛内子和空穴迁移到材料的不同活性位点处，者产生氢气的氧化还原反应。

图 1-2 半导体光催化原理示意图[22]半导体光催化剂存在的问题及解决途径光催化剂目前的发展进程来说，在实际生活应用中仍然存在一半导体光催化的基本原理可知，光生载流子的产生、迁移、复合化学反应对半导体材料的光催化效率起着至关重要的作用。光生光的辐射激发产生之后，它的分离与迁移以及复合一直存在于半过程中，，它们之间是一个相互竞争的关系，此消彼长，并且竞争化剂的效率产生影响。因此，在光催化反应的研究中，提高半导（即扩大材料的吸收范围）、抑制光生电荷的复合和提高电子的体材料的光催化活性是十分必要的。导体光催化剂（TiO2[23]、ZnO[24]、CdS[25]等）中，二氧化钛由于催化活性、无毒及价格低廉等优点，在众多催化剂中脱颖而出。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O644.1

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本文编号：2616778