光催化中光生电子空穴的调控和性能优化
发布时间：2021-11-03 05:41
近几年来,光催化技术由于绿色、无污染、节能环保等优点而受到广大研究者的青睐。然而,想要将光催化技术实现真正的工业化,目前仍然面临着巨大的挑战。其中,因光生载流子的复合而带来的光催化效率低成为制约该技术发展的瓶颈问题。因此如何通过调控光生载流子来优化光催化剂的催化效率是当前催化科学研究中的热点课题。本文通过调节催化剂的缺陷结构、控制催化剂的尺寸和形貌、用不同的沉积方法调控催化剂的界面等手段来调控它们在光催化反应中的光生电荷分离效果,并优化催化性能,本论文采用了多种光催化反应来评价性能的优化,取得的主要结果如下:1.系统地研究了缺陷结构对光沉积金属纳米颗粒的影响。通过合成具有不同缺陷的锐钛矿二氧化钛,并对它们进行光沉积实验,我们证明孤立的氧空位（Ov）可以作为电子陷阱,并促进形成小的光沉积金属纳米颗粒,而Ov团簇在光沉积过程中是电子-空穴的复合位点,会形成较大的金属纳米颗粒。我们还发现,通过在高温下预处理TiO2可以控制缺陷的强度和结构,这为我们提供了合成具有最佳粒度分布和催化性能的光沉积金属纳米颗粒巨大的机会。我们的发现大大拓宽和加深了对缺陷在光生电荷分离中作用的理解,也阐明了高效活性结...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１半导体光催化反应过程中光生电子和空穴活动示意图
?第一章绪论???应用的化合物。从催化活性上来看，金属基光催化剂往往展现出较好的反应活性，??但是它们的价格昂贵，且可扩展性和稳定性能仍然难以捉摸。??１．２．１半导体光催化剂Ｔｉ〇２??Ｔｉ０２是目前使用最广泛的“黄金”光催化剂，因为它价格低廉、清洁无毒、??绿色环保，己广泛应用于非均相光催化中［４６－４９］。近２０多年来，丁丨０２异质光催??化发展非常迅速，经历了与发展有关的各种能源问题和环境问题，例如光解水以??及低浓度的空气中的污染物分解等［５０］。图１．２列举了?Ｔｉ〇２光催化的主要应用。??Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ??ＯＭｄｏｒａｍｇ?Ｒ＊ｍ〇ｖ？ｌ?ｃｌ?ｈａｚａｒｄｏｕｓ??ＲｗｉＫ＾ａｌｏｆａｉｒｐｏｔｔｕＵｎｉｓ?Ｏｔｔｉｎｈｃ＼ｔｏｎ??ＨＳ３３ＳＥＥＳＺＳＳ３３Ｉ?ＨＨｄＨＢＨ??？卿??ＦｈｉｏｒＭＣｔｎｉｋｇＭ??Ｉｍｓｓｍｍ??Ｐ＿ｎｇＴ－?Ｔｉ０２＋Ｌｉｇｈｔ??Ｇｍ？／Ｔｅｎｌ?＊?＾?ＷａＢｐａｐ？??ｍｉｍＳＨＨ?（？?ＨＫＳＳＳ２Ｉ３ＨＩ??Ｔｕｎｒｗｉ?ｌｉｇｈｔｉｎｇ?－Ｏｘｋｉ丨ｔｋ＞〇ＯＭ＊ｄＭＣｔＫ＞ｎ?Ｆ?Ｒｅｍｏｖａｌ?ｏｆ?ｒ＊Ｍ？ｕａｉｐＭｂｃ＜（？＊ｓ??Ｓｏｕｎｄ?ｎｕｔａｔｉｏｎｖｍ？?？?ＳｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｌｌｔｃＪｔｙ?０＊ｏｄｏｎｚａｔｉｏｎ??Ｒｅｍｏｖａｌ?ｏｆ?ＮＯｘ?Ｈｙｄｒｏｐｏｎｖ?ｃｕｉｂｖ＊??＾〇３１ＳＳＳ？３ｌｌｉ?ＨＢＺＳＥＺｕＳｕＳＨ??Ｓｏｌａｒ?ｅ＊＞?Ｈｙｄｒｏｇｅｎ?Ｍｌｕｔｉｏｎ??Ｅｎｅｒｇｙ??图１．２?Ｔｉ０２光催化主要应用［５２］。??Ｔｉ０２的基本特性
?第一章绪论???一般而言，ＴｉＣｈ的导带（ＣＢ）由Ｔｉ３ｄ组成，价带（ＶＢ）由０?２ｐ组成，主要位??于其带边缘。化学计量的Ｔｉ０２由于具有较宽的禁带宽度，是一种良好的电绝缘??体［６２］。但是，Ｔｉ０２的所有晶体材料中都存在点缺陷，包括氧空位（Ｏｖｓ），间隙钛??离子（Ｔｉ３＋）和取代离子。空位和间隙离子是晶体材料的固有缺陷，会显著影响材??料的催化性能、质量传输和导电性。点缺陷在Ｔｉ０２的带隙中引入了新的电子态??（图１．３），称为缺陷态。带隙中缺陷态的位置受Ｔｉ０２的相和表面结构影响。例??如，Ｒ－Ｔｉ〇２（１１０）的缺陷态位于ＣＢ边缘下方约０．８－１．０ｅＶ［６３］。而Ａ－Ｔｉ〇２（１０１）的??缺陷态位于ＣＢ边缘下方约０．４－１．１?ｅＶ［６４］。??Ｖａｃｕｕｍ??ＣＢ???Ｅｐ??Ｄｅｆｅｃｔ?ｓｔａｔｅｓ??Ｂａｎｄｇａｐ??ＶＢ??Ｔｉ０２??图１．３?Ｔｉ０２的电子结构示意图［５１］。??（３）能带弯曲??根据光发射研宄，在化学计量无缺陷的Ｔｉ０２表面（如，Ｒ－ＴｉＯ２（１１０）和??Ｒ－Ｔｉ〇２（１００））上未观察到能带弯曲［６５］。实际上，由于表相或体相中的点缺陷，??ＴｉＣｈ是一种ｎ型半导体。通常，通过在制备过程中去除表面晶格上的氧原子，??ＴｉＣｈ表面上的缺陷以Ｏｖｓ的形式存在，从而在表面上留下未配对的电子（在Ｔｉ?３ｄ??轨道中）［６６］。这是带隙中缺陷的主要来源之一。Ｄｉｅｂｏｌｄ［６７］认为，由Ｏｖｓ贡献??的过量电子（充当供体）将积聚在表面下，导致向下的能带弯曲，如图１．４所示。??在实际情况下，当富电子的Ｔｉ０２表面吸附不同类型的吸附物时，会在表面和吸??附物
【参考文献】：
期刊论文
[1]金纳米粒子的尺寸以及金-二氧化钛相互作用对表面等离激元光催化产氧的影响（英文）[J]. 王升扬,曾斌,李灿. 催化学报. 2018(07)
[2]Layered Fe（Ⅲ） doped TiO2 thin-film electrodes for the photoelectrocatalytic oxidation of glucose and potassium hydrogen phthalate[J]. YU Hua 1 , WANG Jing 2,3 , ZHANG ShanQing 1* , LI XinJun 2 & ZHAO HuiJun 1 1 Environmental Futures Centre and Griffith School of Environment, Gold Coast Campus, Griffith University, QLD 4222, Australia; 2 Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 3 Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China. Chinese Science Bulletin. 2011(23)
本文编号：3473165
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１半导体光催化反应过程中光生电子和空穴活动示意图
?第一章绪论???应用的化合物。从催化活性上来看，金属基光催化剂往往展现出较好的反应活性，??但是它们的价格昂贵，且可扩展性和稳定性能仍然难以捉摸。??１．２．１半导体光催化剂Ｔｉ〇２??Ｔｉ０２是目前使用最广泛的“黄金”光催化剂，因为它价格低廉、清洁无毒、??绿色环保，己广泛应用于非均相光催化中［４６－４９］。近２０多年来，丁丨０２异质光催??化发展非常迅速，经历了与发展有关的各种能源问题和环境问题，例如光解水以??及低浓度的空气中的污染物分解等［５０］。图１．２列举了?Ｔｉ〇２光催化的主要应用。??Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ??ＯＭｄｏｒａｍｇ?Ｒ＊ｍ〇ｖ？ｌ?ｃｌ?ｈａｚａｒｄｏｕｓ??ＲｗｉＫ＾ａｌｏｆａｉｒｐｏｔｔｕＵｎｉｓ?Ｏｔｔｉｎｈｃ＼ｔｏｎ??ＨＳ３３ＳＥＥＳＺＳＳ３３Ｉ?ＨＨｄＨＢＨ??？卿??ＦｈｉｏｒＭＣｔｎｉｋｇＭ??Ｉｍｓｓｍｍ??Ｐ＿ｎｇＴ－?Ｔｉ０２＋Ｌｉｇｈｔ??Ｇｍ？／Ｔｅｎｌ?＊?＾?ＷａＢｐａｐ？??ｍｉｍＳＨＨ?（？?ＨＫＳＳＳ２Ｉ３ＨＩ??Ｔｕｎｒｗｉ?ｌｉｇｈｔｉｎｇ?－Ｏｘｋｉ丨ｔｋ＞〇ＯＭ＊ｄＭＣｔＫ＞ｎ?Ｆ?Ｒｅｍｏｖａｌ?ｏｆ?ｒ＊Ｍ？ｕａｉｐＭｂｃ＜（？＊ｓ??Ｓｏｕｎｄ?ｎｕｔａｔｉｏｎｖｍ？?？?ＳｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｌｌｔｃＪｔｙ?０＊ｏｄｏｎｚａｔｉｏｎ??Ｒｅｍｏｖａｌ?ｏｆ?ＮＯｘ?Ｈｙｄｒｏｐｏｎｖ?ｃｕｉｂｖ＊??＾〇３１ＳＳＳ？３ｌｌｉ?ＨＢＺＳＥＺｕＳｕＳＨ??Ｓｏｌａｒ?ｅ＊＞?Ｈｙｄｒｏｇｅｎ?Ｍｌｕｔｉｏｎ??Ｅｎｅｒｇｙ??图１．２?Ｔｉ０２光催化主要应用［５２］。??Ｔｉ０２的基本特性
?第一章绪论???一般而言，ＴｉＣｈ的导带（ＣＢ）由Ｔｉ３ｄ组成，价带（ＶＢ）由０?２ｐ组成，主要位??于其带边缘。化学计量的Ｔｉ０２由于具有较宽的禁带宽度，是一种良好的电绝缘??体［６２］。但是，Ｔｉ０２的所有晶体材料中都存在点缺陷，包括氧空位（Ｏｖｓ），间隙钛??离子（Ｔｉ３＋）和取代离子。空位和间隙离子是晶体材料的固有缺陷，会显著影响材??料的催化性能、质量传输和导电性。点缺陷在Ｔｉ０２的带隙中引入了新的电子态??（图１．３），称为缺陷态。带隙中缺陷态的位置受Ｔｉ０２的相和表面结构影响。例??如，Ｒ－Ｔｉ〇２（１１０）的缺陷态位于ＣＢ边缘下方约０．８－１．０ｅＶ［６３］。而Ａ－Ｔｉ〇２（１０１）的??缺陷态位于ＣＢ边缘下方约０．４－１．１?ｅＶ［６４］。??Ｖａｃｕｕｍ??ＣＢ???Ｅｐ??Ｄｅｆｅｃｔ?ｓｔａｔｅｓ??Ｂａｎｄｇａｐ??ＶＢ??Ｔｉ０２??图１．３?Ｔｉ０２的电子结构示意图［５１］。??（３）能带弯曲??根据光发射研宄，在化学计量无缺陷的Ｔｉ０２表面（如，Ｒ－ＴｉＯ２（１１０）和??Ｒ－Ｔｉ〇２（１００））上未观察到能带弯曲［６５］。实际上，由于表相或体相中的点缺陷，??ＴｉＣｈ是一种ｎ型半导体。通常，通过在制备过程中去除表面晶格上的氧原子，??ＴｉＣｈ表面上的缺陷以Ｏｖｓ的形式存在，从而在表面上留下未配对的电子（在Ｔｉ?３ｄ??轨道中）［６６］。这是带隙中缺陷的主要来源之一。Ｄｉｅｂｏｌｄ［６７］认为，由Ｏｖｓ贡献??的过量电子（充当供体）将积聚在表面下，导致向下的能带弯曲，如图１．４所示。??在实际情况下，当富电子的Ｔｉ０２表面吸附不同类型的吸附物时，会在表面和吸??附物
【参考文献】：
期刊论文
[1]金纳米粒子的尺寸以及金-二氧化钛相互作用对表面等离激元光催化产氧的影响（英文）[J]. 王升扬,曾斌,李灿. 催化学报. 2018(07)
[2]Layered Fe（Ⅲ） doped TiO2 thin-film electrodes for the photoelectrocatalytic oxidation of glucose and potassium hydrogen phthalate[J]. YU Hua 1 , WANG Jing 2,3 , ZHANG ShanQing 1* , LI XinJun 2 & ZHAO HuiJun 1 1 Environmental Futures Centre and Griffith School of Environment, Gold Coast Campus, Griffith University, QLD 4222, Australia; 2 Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 3 Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China. Chinese Science Bulletin. 2011(23)
本文编号：3473165
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