半导体纳米复合材料的制备及光催化性能研究

发布时间：2020-05-09 22:43

【摘要】：随着能源短缺和环境污染加剧,两者严重地制约着人类社会的可持续发展,如何有效地解决这两大难题是目前人类面临的重要挑战。半导体纳米复合材料光催化技术就是在这样的背景下,备受大家的广泛关注。由于传统的半导体纳米材料以TiO2、ZnO为代表的宽禁带半导体材料对可见光利用效率低、光生载流子迁移效率低、电子空穴对易复合等限制了实际应用。近年来,已有大量关于改性传统半导体光催化剂提高光催化的活性的报道,虽然取得了一定的进展,但仍有许多复合材料的催化性能差、重复稳定低、形貌结构和催化性能关系没有深入讨论研究。基于此,本文重点研究了以下几个方面:1.在高度亲水的云母上构建特了特殊的Cu(NO3)2薄层溶液,快速蒸发薄层溶液。通过控制蒸发时间获得过饱和度的薄层溶液,在可控的过饱和水平下调节成核模式实现对形貌的可控性选择。低过饱和度薄层溶液有利于固-液界面处的异相成核,倾向于生成硝酸铜纳米片;高过饱和度的薄层溶液可以在体相溶液中均相成核,倾向生成产生花状分层的硝酸铜纳米微球。硝酸铜前驱体纳米晶证实是Cu(NO3)2·2.5H2O,纳米晶热处理后进一步转化成分层多孔的CuO纳米微结构后依旧保持原来的形貌。2.在合成的云母基底支撑的CuO半导体纳米材料基础上,通过不用任何添加剂的光化学法把Ag纳米小颗粒成功地负载到CuO上制备了Ag/CuO异质结构的半导体纳米复合材料。同时评估了两种不同半导体催化剂的光催化活性,在可见光下,通过降解MB溶液来评估CuO和Ag/CuO光催化剂的性能,结果表明复合的Ag/CuO光催化剂活性远高于单一的CuO活性,同时解释了两种不同半导体催化剂可见光下降解有机染料MB的机理。3.通过一种简单水热法把商业的ZnO固定在洁净的硅片上,获得了两种不同形貌的ZnO基底。在此基础上用光化学法,制备了不同形貌的Ag2O/ZnO异质结构的半导体纳米复合材料。经过一系列表征和测试验证合成的样品的组分和结构,并研究了基底对Ag2O纳米棒形貌的影响。进一步对制备的样品进行光催化性能评估测试,在紫外光和可见光下Ag2O/ZnO复合光催化剂降解有机污染物MB溶液的效率明显高于单一的ZnO催化剂,且复合半导体光催化剂的稳定性远远高于单一的催化剂,提升了光催化剂的响应范围。4.通过AgNO_3溶液中不同百分含量的乙醇来选择性合成不同的银基半导体纳米复合材料。利用光化学法,控制不同百分含量的乙醇(空穴消除剂)选择性的合成了Ag/ZnO、Ag2O/ZnO和Ag/Ag2O/ZnO银基半导体纳米复合材料,制备的不同半导体纳米复合材料进行了SEM、TEM、XRD、DRS和BET表征等,探究了不同异质结构之间形成的过程和机理。进一步比较了三种不同的复合催化剂在可见光下的催化活性大小,并分别提出了不同的复合催化剂可见光降解过程中涉及的可能机理。实验结果表明,在可见光下选择性制备的不同银基半导体复合催化剂的光催化活性的大小依次为:Ag/Ag2O/ZnOAg2O/ZnOAg/ZnO。
【图文】：

禁带宽度能量时，，半导体才能对光响应。具体的公式关系：2πhc/λ≥Eg朗克常数，c 为光速，λ 为入射光波长，Eg为半导体带隙宽度。第二部收特定波长光后将发生电子跃迁现象，光致激发生成电子-空穴对，即（e-）被激发到导带上剩下强氧化性的空穴（h+）进而形成了强反应活-空穴对。第三部分，电子和空穴对迁移至半导体材料的表面和水或半物质发生一系列的氧化还原反应，从而实现光催化分解水制氢产氧、有催化降解、重金属离子的还原等。化反应的基本原理简单的来讲就是一些半导体材料[11-18]（TiO2、ZnO、SuO、CdS、MoS2、Ag3PO4等）在可见或紫外光的照射下，发生一系列应及所生成的一些其它中间产物并最终将目标物进行催化降解的过程。体光催化剂 TiO2为例，光催化过程所涉及的反应过程可以用下列反应

HO2+ HO2→ H2O2+ O2TiO2(e ) + H2O2→ OH●+ OHH2O2+ O2●→ OH●+ OH + O2Organic compound + OH●→ degradation productsOrganic compound + TiO2( ) → degradation productsOrganic compound + TiO2(e ) → degradation products体复合材料应用解水1972 年日本的 Fujishima 和 Honda 教授首次发现了在 Pt 电极上负载水的研究以来[20]，如图 1.2 所示，半导体光催化分解水在全世界范的关注，光分解水主要涉及到两个半反应[1]，即氢离子的还原产氢反应的自由能和标准氧化还原电势公式如下。
【学位授予单位】：苏州大学
【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：2656853