纳米Ag修饰多级硅光电极的制备及其光电催化脱氯性能

发布时间：2017-08-08 07:19

  本文关键词：纳米Ag修饰多级硅光电极的制备及其光电催化脱氯性能

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【摘要】：光催化技术是环境污染控制领域最具发展前景的新技术之一。该技术利用光子诱导的强氧化性空穴或羟基自由基(·OH)分解有毒有害污染物,具有可利用太阳能、环境友好和无选择性等优点。Ti02是研究最广泛的光催化材料,其禁带宽度为3.2 eV,只能吸收占太阳光谱5%的紫外光,而且光生电荷复合率高导致量子效率低,使其难以高效利用太阳能,也制约了该技术的实际应用。因此,拓展吸收光谱范围和抑制光生电荷复合是光催化技术研究的重要方向。硅的禁带宽度为1.12 eV,能吸收1100 nm以下的太阳光。构建异质结是提高光生电荷分离效率的有效途径。因此设计新型硅基异质结光催化材料有望解决上述问题。硅材料在污染控制领域应用面临的主要问题是容易与水或氧气反应导致氧化钝化,另外如何减少对光的反射也是提高硅材料光转换效率的关键。针对上述问题,本论文通过制备多级结构减少硅材料对光的反射,进一步通过在多级硅表面负载纳米Ag构建异质结以提高电荷分离效率并阻止硅与水或氧的接触从而抑制钝化,最终实现对太阳光的高效利用和促进光催化技术向实用化发展。研究工作主要包括如下内容：(1)采用金属辅助无电化学刻蚀法制备多级结构硅纳米材料。扫描电镜(SEM)观察到硅柱(Silicon micropillar, SiMP)阵列表面均匀地分布着长度均一、排列整齐的硅纳米线(Silicon nanowire, SiNW) 。光照下的线性循环伏安测试结果表明,刻蚀时间为25 min的SiNW/SiMP在-1V时的光电流密度为-31 mA-cm-2(vs SCE),大于刻蚀时间为5、10、15、20和30min的其他样品。循环伏安测试结果显示,制备出来的SiNW/SiMP在水溶液中不稳定,光电流随时间衰减,这是由于硅被水和溶解氧氧化成绝缘的Si02所致。SiNW/SiMP电极对4-氯酚的光电催化脱氯效率达到85%,分别是电催化过程和光催化过程去除率的3.3倍和1.5倍,是SiMP(60%)的1.4倍,表现出良好的光电催化性能。(2)为改善SiNW/SiMP在水溶液中的稳定性,采用无电化学沉积的方法在其表面沉积Ag纳米颗粒。采用SEM、X射线衍射和能量弥散X射线确认了SiNW/SiMP表面存在Ag纳米颗粒。测试Ag沉积时间分别为1、3和5 min的样品的循环伏安和线性伏安,发现随着沉积时间的延长,光电流先增加后减小,电化学稳定性显著改善。沉积时间为3 min的Ag/SiNW/SiMP样品十个循环中光电流保持不变,为-37.5mA·cm-2,超过3min后,虽然稳定性仍然很好但是光电流减弱。这一变化规律可以解释为过多的Ag阻碍了硅对入射光的吸收。(3)以4-氯酚为目标物评估Ag/SiNW/SiMP在水溶液中光电催化脱卤性能。六次重复实验结果表明,Ag/SiNW/SiMP电极能够在水溶液中长时间稳定地输出光电流。反应1小时后,光电催化过程脱氯效率达到95%,分别是电催化过程(38%)和光催化过程(66%)的2.4倍和1.4倍。Ag/SiNW/SiMP对4-氯酚的动力学常数为0.104 min-1,分别是SiNW/SiMP电极(0.033 min-1)和SiMP电极(0.013 min-1)的3.2倍和8倍,表现出优良的光电催化还原脱氯性能。这是由于Ag与硅界面处的内建电场促进了光生电子与空穴的分离,使更多的光生电子参与到脱氯的反应中去,从而提高光电催化脱氯的效果。综上,本论文描述的Ag/SiNW/SiMP能够借助Ag的保护作用克服Si的钝化,利用Ag与Si内建电场促进电荷分离,利用SiNW/SiMP结构减少光的反射以及增大与污染物接触面积,从而实现充分利用太阳光分解环境污染物。这一成果有助于推进光催化技术实用化的进程。
【关键词】：多级硅 纳米Ag 异质结 光电催化 脱氯
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.3;X505
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-13
• 1 硅纳米材料在国内外相关领域的研究进展13-31
• 1.1 光催化污染控制的研究现状13-17
• 1.1.1 光催化技术的原理及其研究现状13-14
• 1.1.2 光催化技术存在的主要问题14-15
• 1.1.3 光催化能量效率提高的途径15-17
• 1.2 硅纳米材料的优势、主要问题及对策17-22
• 1.2.1 硅纳米材料的优势17-19
• 1.2.2 硅纳米材料存在的主要问题19-20
• 1.2.3 硅纳米材料的保护方法20-22
• 1.3 硅纳米材料制备方法22-25
• 1.3.1 硅量子点制备方法22-23
• 1.3.2 硅纳米线制备方法23-24
• 1.3.3 硅纳米管制备方法24
• 1.3.4 多孔硅制备方法24-25
• 1.3.5 硅薄膜制备方法25
• 1.4 硅纳米材料在环境及清洁能源领域中的应用25-27
• 1.4.1 光催化降解污染物25-26
• 1.4.2 光催化产氢26-27
• 1.4.3 锂离子电池及生物燃料电池27
• 1.5 异质结理论概述27-29
• 1.5.1 异质结用于光催化的机理27-28
• 1.5.2 异质结的类型28-29
• 1.6 选题的背景、目的、内容和意义29-31
• 1.6.1 选题的背景及目的29
• 1.6.2 研究内容29-30
• 1.6.3 研究意义30-31
• 2 多级硅的制备及其光电催化性能31-42
• 2.1 实验部分31-35
• 2.1.1 实验试剂31
• 2.1.2 实验仪器31-32
• 2.1.3 实验材料32
• 2.1.4 SiMP的制备32-33
• 2.1.5 SiNW/SiMP的制备33-34
• 2.1.6 SiNW/SiMP的表征34-35
• 2.2 结果与讨论35-39
• 2.2.1 SiNW/SiMP的形貌表征35-37
• 2.2.2 光吸收性能表征37-38
• 2.2.3 光电化学性质38-39
• 2.3 光电催化降解实验39-41
• 2.4 本章小结41-42
• 3 Ag/SiNW/SiMP电极的制备及其光电催化脱氯性能42-56
• 3.1 实验部分42-44
• 3.1.1 实验试剂42
• 3.1.2 实验仪器42-43
• 3.1.3 制备过程43
• 3.1.4 表征方法43-44
• 3.2 结果与讨论44-47
• 3.2.1 形貌观察44-45
• 3.2.2 成分分析45-46
• 3.2.3 光电化学性质测试46-47
• 3.3 光电催化脱氯实验47-54
• 3.3.1 光电催化性能47-52
• 3.3.2 降解机理探讨52-54
• 3.4 本章小结54-56
• 结论56-57
• 参考文献57-64
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况64-65
• 致谢65-66

【参考文献】

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1 苏景扬;有序硅纳米材料的制备及其稳定高效的光催化性能[D];大连理工大学;2012年

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本文编号：638762