溶液等离子体放电活化典型半导体氧化物光催化材料研究

发布时间：2021-06-11 03:51

　　氧化物半导体光催化剂因其在环境、能源等领域的重要应用,备受研究者关注。但是,受限于电荷分离效率和表面反应速率,这类光催化剂一直存在光催化活性不足的难题。如何活化氧化物半导体光催化剂,提高光催化反应效率,是实现其在环境、能源领域实际应用的关键。本文利用先进的溶液等离子体放电技术,在两种典型的半导体光催化剂（TiO₂、BiVO₄）表面引入缺陷,探索通过表面缺陷工程提升氧化物光催化剂活性的有效方法,为设计制备高效的光催化剂提供可行的策略。主要研究内容如下:（一）溶液等离子体活化十面体钒酸铋光催化剂。利用水热法合成具有还原性{010}晶面作为富集电子和氧化性{110}晶面作为富集空穴的十面体钒酸铋,进而利用溶液等离子体处理十面体钒酸铋。理论计算和ESR、XPS等谱学研究表明,溶液等离子体放电能在十面体钒酸铋表面引入钒缺陷,且引入的表面钒缺陷更易在{110}晶面上形成。瞬态光电压测试和晶面选择性等研究表明,表面钒缺陷引入能加强空穴富集在{110}晶面,抑制光生载流子复合,促进光生电子-空穴对定向传输到还原性晶面和氧化性晶面,从而使十面体钒酸铋晶面选择性... 

【文章来源】：东北师范大学吉林省 211工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

半导体光催化剂催化反应机理

3外，研究者也致力于获得一些新型半导体光催化材料，包括钒酸铋（BiVO4）、硫化镉（CdS）、五氮化三钽（Ta3N5）等[23]。除了无机半导体材料，高分子C3N4近期作为一种新型的光催化剂也可以实现光催化水分解。半导体光催化剂一般具有以下两方面共同点，首先具有与太阳光谱中紫外和可见波段的光能量相当的禁带宽度(常见半导体禁带宽度约为1.7—3.5eV)，其次导带和价带具有恰当的氧化还原电位，使电子-空穴对能参与表面的氧化还原反应。图1.2给出了常见半导体的带隙和能带位置图，其中二氧化钛(TiO2)因为其具有良好的稳定性、安全无毒、价格低廉、地球储备丰富等优点，成为半导体光催化领域研究最深和最广的材料[24]。二氧化钛（TiO2）虽然是应用最广的光催化剂，但是其禁带宽度达到（3.2eV），只能吸收太阳光谱中的紫外光。典型三元氧化物钒酸铋（BiVO4）具有合适的禁带宽度（2.4eV），能吸收太阳光谱中的可见光，并且样品具有较强的水氧化性能，是目前广泛应用于光催化水分解氧气和光电化学水分解产氧气材料。钒酸铋和二氧化钛这两种典型的半导体光催化剂具体性质，将在接下来的1.2.2.1和1.2.2.2介绍。图1.2常见半导体光催化剂带隙和能带位置图1.2.2.1钒酸铋光催化剂BiVO4俗称铋黄，因其化学性质稳定，无毒，能吸收太阳光谱中的可见光，所以被广泛的应用于光催化和光电化学分解水产氧气，有机污染物降解[25]。BiVO4具有三种晶相：分别为四方锆石结构，单斜白钨矿结构和四方白钨矿结构。通过改变温度，BiVO4三种晶相之间可以相互转化[26]，具体转换过程如图1.3所示。

4图1.3BiVO4三种晶相之间相互转换关系从研究的结果来看，单斜相白钨矿具有最稳定的结构，表现出高效的光催化活性，同时单斜相白钨矿的带隙宽度是2.4eV，能吸收波长在520nm范围以内的可见光，因此研究者主要集中研究单斜相白钨矿钒酸铋。由图1.4可以发现，钒酸铋的价带由O2p轨道和Bi6s轨道构成，Bi6s轨道的电子分布处于价带顶，钒酸铋的导带由V3d轨道的电子分布构成[27]。钒酸铋在接受光子激发后，光生电子跃迁到导带，空穴留在价带位置，跃迁到导带的电子可以参与表面还原反应，留在价带的空穴因其具有强氧化性，能将水分解成氧气，因此钒酸铋主要应用于光催化水分解产氧气和光电化学水分解等方面。图1.4BiVO4电子结构分布与催化机理


本文编号：3223753