钛酸盐基半导体异质结的制备及光催化性能研究

发布时间：2021-07-20 06:42

　　现如今水体污染和能源短缺已经成为世界性难题,寻找有效的、可持续发展的绿色途径已成为重中之重。在众多可行办法中,光催化半导体材料降解与制氢,以其独有的优势进入研究者的视野,并受到科学界广泛关注。大多数半导体材料在太阳光下,可以通过本征光电性能进行光催化降解,有效治理水体污染,此外,还有部分具有适合能带结构的半导体材料,可以直接在光照下通过光催化分解水产氢。众所周知,氢能是一种无污染、高燃烧能的新型能源,可替代传统化石燃料,其在高效供能的同时,还可有效缓解环境污染。因此,半导体材料光催化降解和制氢已经成为解决水体污染和能源短缺的不二之选。在众多半导体材料中,钛酸盐类半导体材料,由于具备适宜的导带与价带位置（负于H+到H2的还原电位的导带,正于H2O到O2的氧化电位的价带）以及较高的稳定性,近年来被广泛应用于光催化领域,包括钛酸锰（MnTiO3）、钛酸钙（CaTiO3）和钛酸锶（SrTiO3）。然而受限于上述材料的本征特性,即宽带隙限制了可见光利用率,高电子-空穴复合率限制了光生载流子效率,导致其光催化性能不能被完全开发利用,因此,如何改善半导体材料对于可见光的吸收以及提高其光生电子的迁移速... 

【文章来源】：浙江理工大学浙江省

【文章页数】：98 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１钙钛矿材料的结构示意图

浙江理工大学硕士学位论文?钛酸盐基半导体异质结的制备及光催化性能研宄??－１?１?Ｍ??一?０?广－－ｐ?－「?产——?Ｔ——Ｈ＋／Ｈ２??＞?ｒ￣?＞??土－?厂厂?Ｓ??５?？?＞?ｈ??ｚ?１－?ｍ?＞??１?＾?＾?＾?°?＾??Ｉ?２＇?〇??■?Ｌ?—?１－ｒ?—?Ｕ??３．?Ｐ?°°Ｅ°Ｌｋ：－ｓ－ｄ＇??－?＾?８?ｚ?￡?〇?２?２?ｔ??Ｌ＿?＞５?ｃ?＾??？?〇?３?５?５??４」?Ｓ??图１．２基本的钛酸盐钙钛矿带隙和带边缘对于水分解的氧化还原电位。转载自Ｒｅｆ。Ｐ７｜??Ｆｉｇ．?１．２?Ｂａｓｉｃ?ｃａｌｃｉｕｍ?ｔｉｔａｎａｔｅ?ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ?ｂａｎｄ?ｇａｐ?ａｎｄ?ｂａｎｄ?ｅｄｇｅ?ｏｘｉｄａｔｉｏｎ－ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ??ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｆｏｒ?ｗａｔｅｒ?ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．?Ｒｅｐｒｏｄｕｃｅｄ?ｆｒｏｍ?Ｒｅｆ．?［３７）??１．３．１．１钛酸锰??钛酸锰存在于自然界的红钛锰矿（Ｍｎ０＿Ｔｉ０２）中，属于六方晶系，密度为??４．８４ｇ／ｍＬ，熔点（固液异成分）为１３９０°Ｃ。ＭｎＴｉ０３具有良好的热稳定性、湿度敏??感性、铁磁性能和光电性能，广泛用于制作湿度传感器、陶瓷材料、电磁材料以??及介电材料等［３８，３９］。除此之外，？＾！１１丨０３具有约为３．１ｅＶ的带隙，对紫外－可见光??具有较好的吸收性，可以作为理想的光催化剂，用于降解水中的污染物［４（）］。??１＿３丄２钛酸钙??钛酸钙为黄色晶体，难溶于水。室温下，密度为３．９８ｇ／ｍＬ，熔点为１９８０°Ｃ。??属于立方晶系，钛离子与六个氧离子形成

士学位论文?钛酸盐基半导体异质结的制备及光催化性能研究??［９１，９２］，即跨越带隙（类型Ｉ），交错带隙（类型ＩＩ）和断裂带隙（类型ＩＩＩ），如??图所示［９１］。??（ａ＞?广、?（ｂ）?＾?（ｃ）?Ｒｅａｕｃｙ??ＣＢ?Ｑ?６?Ｏ?＇?ＣＢＩ＇?０?０?０＾?＼??ｊＭ??Ｔ?ＣＭＷＶ?Ｖ?、?Ｐｈｏｔｏｏｔａｌｙｓｌｌｌ??丨?ｖｅｋＳｄ??Ｏｘｉｄａｔｉｏｏ?ｍ??Ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔ?Ｉ??ＴＶＰｅｌ?ＴｙＰｅ?１１?Ｔｙｐｅ?ＩＩＩ??图１．４半导体异质结的不同类型示意图。转载自Ｒｅｆ。丨９１］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ?ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ．??Ｒｅｐｒｏｄｕｃｅｄ?ｆｒｏｍ?Ｒｅｆ．?［９１］??对于跨越带隙，具有较窄带隙的光催化剂的ＶＢ和ＣＢ被限制在具有较宽带??隙的光催化剂内。当照射的光子能量超过一定值时，光生电子－空穴对的电子发??生跃迁，由于带隙边缘位置导致混合结构内所有电荷载流子在单个组分内传递和??累积。对于交错带隙，带边在第一光催化剂和第二光催化剂之间交错［９３］。由于??两个半导体之间化学势的差异，形成了向上或向下的带弯曲，从而导致电荷载流??子沿相反方向转移。该过程可以改善电子－空穴在异质结的各个部分上的分离，??以减缓电荷重组，延长光生电子－空穴对的寿命［９４１。ＩＩＩ型（断裂带隙）异质结的??结构特征是第二光催化剂的ＶＢ和ＣＢ边缘位于第一光催化剂的ＣＢ电位之上且??不相互交叉［９５］。基于上述结构，近期，一种新型的类似于交错间隙（类型ＩＩ）

【参考文献】：
期刊论文
[1]化学镀法制备CoP量子点修饰g-C3N4用于光催化产氢（英文）[J]. 戚克振,吕文秀,Iltaf Khan,刘书源.  Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
[2]Co（Ⅱ）-空穴和Pt-电子助催化剂协同作用增强P掺杂g-C3N4光催化产氢性能（英文）[J]. 孙扣华,沈珺,刘芹芹,唐华,张明义,Syed Zulfiqar,雷春生.  Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
[3]纳米钛酸钡微粉的制备[J]. 赵培峰,孙乐民.  材料开发与应用. 2003(01)
[4]PbTiO3纳米粉的制备及光催化研究[J]. 张志兰,戴洁,卞国庆.  化学研究与应用. 2000(05)



本文编号：3292345