仿生空心核壳结构光催化剂的制备及性质研究

发布时间：2020-07-11 23:16

【摘要】：太阳能作为一种清洁的可再生能源被认为是解决当前环境能源问题重要的手段之一。光催化技术由于其可以应用于光电转换,裂解水产氢,处理水污染等领域,受到研究者的广泛关注。研究表明贵金属与传统半导体材料复合成异质结构由于贵金属的等离子共振效应可以有效地提高光催化活性,因此成为目前研究的热点之一。受自然界中如北极熊毛的中空结构,蝶翅的凹陷结构等减反射结构启发,开发贵金属@半导体仿生空心核壳结构光催化剂将结合贵金属的等离子共振效应和具有减反射性能的内部空腔结构,拓展光催化剂对可见光的吸收并且提高光能捕获效率,从而提高光催化效率,具有重要的研究意义。本论文首先采用一步反应法在水热条件下设计制备了Au@Ti O_2仿生空心核壳结构光催化剂。制备的Au@TiO_2仿生空心核壳结构光催化剂结合了Au纳米粒子对可见光的吸收以及中空结构能通过增加光在其内的反射和散射减少反射的性质,有效提高了光催化剂对可见光的光能捕获效率。并且Au@Ti O_2仿生空心核壳结构的几何参数,即Au核尺寸(30-70 nm),中空部分直径(104-146 nm)以及TiO_2壳层厚度(21-31 nm),可以通过改变反应条件通过一步反应法成功调控。在可见光条件下,相比商业化TiO_2和Au@TiO_2核壳结构,具有不同几何参数的Au@TiO_2仿生空心核壳结构均展现了明显提高的光催化效率。进一步通过光催化降解罗丹明B,系统地研究了纳米粒子的尺寸参数对其光催化性能的影响,通过考察尺寸参数对纳米粒子的比表面积、光吸收以及光生电子-空穴的分离等的协同作用,分析杂化纳米粒子的催化机理及动力学过程。研究发现较小的空腔尺寸,较薄的TiO_2壳层以及中等的Au纳米粒子直径可以获得较高的光催化效率。进一步,本论文对优化后的Au@TiO_2仿生空心核壳结构光催化剂进行了光电转换和光催化产氢方面的性质研究。研究表明,将Au@Ti O_2仿生空心核壳结构光催化剂作为工作电极,在模拟太阳光下,具有快速、可逆、稳定的光电流响应,其光电流可以达到3.5μA/cm~2,分别是商业化TiO_2和Au@Ti O_2核壳结构光催化剂的4.2倍和1.6倍。电化学阻抗谱和荧光光谱测试进一步说明了Au@TiO_2仿生空心核壳结构光催化剂有更高的电子传递和分离效率。另外,将Au@TiO_2仿生空心核壳结构光催化剂用作光催化产氢实验,其产氢效率可达4.92 mmol/g.h,明显高于商业化TiO_2和Au@TiO_2核壳结构光催化剂,并且在三次循环试验下展现了良好的稳定性。本论文提出的制备Au@TiO_2仿生空心核壳结构光催化剂的方法为设计制备新型高效的可见光半导体光催化剂提供新思路,该光催化剂结合贵金属和减反射结构的特点,展现了良好的光催化效果,有广阔的应用前景。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O644.1
【图文】：

电子,空穴,半导体,光照条件

半导体可以在光照下被激发，以TiO2为例，其电子转移的机理如图1.1所示[8, 9]。在光照射时，半导体 TiO2当吸收了波长小于或等于 387nm 的光子后，即光子能量大于 TiO2禁带宽度 (Eg= 3.2 eV)，其价带上的电子可以被激发，跃迁进入导带形成活性很高的光致电子 e-，相应的会在价带生成空穴 h+，即电子-空穴对。电子-空穴对在电场的作用下分离并迁移到粒子表面，可以分别与得电子体或者失电子体结合生成相应的粒子或者传递到外电路中，起到光催化降解、产氢或者光电转换的效果。例如

乳突结构,减反射

眼的减反射材料面形成的二维凸起的纳米阵列，是一种纳米减965 年，Bernhard 等人在夜蛾复眼上发现了这种进一步发现这些乳突结构可以降低结构的反射射，提高光能捕获效率[37]。类似的结构也可以上发现，这种乳突结构使昆虫的视觉极为灵敏，结构具有较高的比表面积。受这种减反射结构眼上的乳突结构，制备了硅的纳米柱阵列，并在.3 所示，该阵列杂化结构展现了明显低于光滑硅射性能，并在光电流转换和光催化降解方面都展

乳突结构,阵列结构,光催化,金字塔

【参考文献】