三元金属氧化物和硫化物光催化剂的结构调控及性能研究

发布时间：2020-04-30 11:04

【摘要】：光催化技术以其自身能够有效地利用太阳光和室温下可完成深度反应的特性,在环境治理和能源危机的缓解等方面具有巨大的应用前景,受到了科研工作者广泛的关注。然而,光催化材料存在光谱响应范围窄、选择吸附性能差、载流子容易复合、量子效率较低等问题,导致光催化剂的催化效率不高。因此,新型高效的光催化材料的设计合成是该领域重点研究的课题。近年来,铋系光催化材料,对于污染物的降解和光催化固氮、光谱杀菌等方面表现出优异的光催化活性,受到了广泛的关注,然而其可见光响应范围较窄,光生电子和空穴对的分离比较困难;金属硫化物具有良好的可见光响应能力,对于光催化分解水和还原CO_2均表现出优异的光化学活性,但是其光腐蚀严重、稳定性差、光生载流子容易复合,量子效率低。针对上述问题,本文的研究工作主要包括以下两个方面:(1)形貌和晶面调控的铋系光催化材料的合成与改性研究,通过形貌的构筑和晶面的调控来改善新型光催化剂Bi_2O_2SiO_3的光催化效率。(2)三元金属硫化物的可控合成与光催化性能研究。通过微观结构的调控,设计制备具有中空结构和优异光化学活性及稳定性的三元金属硫化物。研究工作主要分为以下两部分:第一,通过调控pH值来抑制SiO_3~(2-)的水解来合成单相态的Bi_2O_2SiO_3,利用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与Bi_2O_2SiO_3中的氧原子的配位作用来调控{001}晶面的暴露比、生长方向和形貌,合成了具有{001}晶面暴露的带状结构的硅酸氧铋单晶纳米片。对比实验结果表明,具有{001}晶面高暴露比例的Bi_2O_2SiO_3单晶纳米片在模拟太阳光的光照射下对罗丹明B(RhB)和双酚A(BPA)的降解都表现出优异的光化学活性,光催化活性的提高的主要原因是{001}晶面的暴露比和氧空位浓度的增大。第二,以生物分子谷胱甘肽为硫源和气体模板源,利用其在高温条件下释放出的CO_2和NH_3为模板,合成了具有空心球结构的三元金属硫化物MIn_2S_4(M=Zn、Ca、Mg、Mn),yolk-shell结构的CdIn_2S_4。重点研究了CdIn_2S_4多级微球的生长机理,形貌演变过程,以及光催化反应机理。CdIn_2S_4花状多级微球的形成过程为奥斯瓦尔德熟化效应。实验结果表明:我们的合成方法具有通用性和普遍性、yolk-shell结构的CdIn_2S_4的对于活性艳红X3B的降解、光解水产氢,表现出优异的性能,分别是商业硫化镉的6倍和36.6倍。CdIn_2S_4微球优异的光催化活性归因于其较小的晶体尺寸和yolk-shell微球独特的结构优势。
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半导体光催化,技术应用,领域

光催化技术研究背景介绍石燃料的过度使用，资源日益枯竭，人类面临着日益严峻的全球性缺问题。半导体光催化技术，可以利用清洁的太阳能来降解有机污染子、实现自清洁等，还能保护土壤及水源，从而有效地改善我们的环环境污染治理技术。同时，光催化技术还能将太阳能转化为化学能、经被广泛地用于：光催化分解水制氢、将二氧化碳还原为可再生有机染料敏化太阳能电池等方面，可以缓解或部分缓解能源危机。因而，与能源领域都显现出巨大的应用前景。技术以其自身能够利用光能和室温下可完成深度反应的特性，已成跃的研究方向之一。自 1972 年 Honda-Fujishima 效应[1]被发现以来，吸引了大量学者从事该领域的研究，其领域已扩展到环境、能源、合们的生活中无处不在，如图 1.1 所示。

绝缘体,半导体,能带结构,金属

图 1.2 分子轨道与能带关系的结构示意图.价带和导带之间存在的区域为禁带(Band gap)，也称为能隙或带隙，区域的大小通常称为禁带宽度(Eg)，如图 1.3 所示。不同的半导体具有不同的的导带价带能级，包括Eg、VB 和 CB 的位置是重要的属性之一，，对于半导体光催化材料来说，因为它决定了半导体的光吸收性能以及氧化还原能力。
【学位授予单位】：中南民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O644.1

【参考文献】