ZnO基复合纳米材料的制备及其光电化学性能研究

发布时间：2017-09-06 02:21

  本文关键词：ZnO基复合纳米材料的制备及其光电化学性能研究

  更多相关文章： ZnO纳米棒阵列 复合材料 光生-电子空穴对分离 光电化学性能 污染物降解

【摘要】：探索开发清洁可持续能源以及新技术以解决日益严重的环境污染问题和能源消耗危机逐渐成为全球关注的焦点。以ZnO为代表的传统半导体光催化材料因其在环境治理和新能源领域有重要应用前景吸引了广泛的关注。然而,宽带隙(3.2 eV)和光生载流子快速复合而导致的弱可见光吸收和低量子效率严重制约了ZnO在光催化领域的实际应用。因此,合理地设计与制备具有较强可见光响应性能、高量子产率以及优异稳定性的半导体催化剂已成为当前世界光催化领域的热门研究之一。本论文通过电沉积、化学浴沉积、溶剂热、热缩聚等方法可控制备能带可调、具有良好可见光响应、高稳定性的ZnO基复合纳米阵列结构光阳极,并系统研究其光电化学性能。具体研究内容如下:(1)通过化学浴沉积和电沉积法制备了CdS、CdSe双壳层敏化、多孔分散的ZnO/CdS/CdSe纳米管阵列复合材料。该复合材料显示出优越的光电化学性能和污染物降解能力,主要可归因于以下三点的结合:1)ZnO,CdS,CdSe三者构成的type-II阶梯式的能带结构,2)CdS,CdSe对ZnO的共同敏化作用,3)多孔的纳米管结构,从而促进了光生电子-空穴对的有效分离与传输。(2)通过电沉积和化学浴沉积法制备了ZnO/Cu_2O/CdS双p-n异质结构的纳米棒阵列复合材料。相比于ZnO和ZnO/Cu_2O,ZnO/Cu_2O/CdS显示出优异的光解水性能和污染物降解能力,主要是因为ZnO/Cu_2O和Cu_2O/CdS双p-n异质结能够提供足够大的空间电荷层以产生大量的载流子;同时,双p-n异质结的存在极大地促进了光生电子-空穴对的分离与转移,这是导致优异性能的主要原因。(3)通过电沉积和溶剂热法制备了p型BiOI纳米片修饰n型ZnO纳米棒阵列复合材料。这种p-n异质结构的复合材料在可见光照射下显示了优异的光电化学性能和污染物降解能力,主要归功于窄带隙的p型BiOI不仅仅充当吸收可见光的敏化剂,提升了电子向n型ZnO纳米棒阵列转移效率,而且ZnO纳米棒阵列提供了电子快速转移通道,能有效抑制电子-空穴对的复合,而BiOI独特的片层结构也增加了与污染物的接触面积。(4)通过电沉积和溶剂热法制备了BiOBr纳米片镶嵌的ZnO纳米棒阵列复合材料。相比于单一的ZnO和BiOBr,ZnO/BiOBr获得了增强的光解水性能和污染物降解能力,得益于两种半导体之间构建的异质结构既增加可见光吸收又加速光生电子-空穴对的分离。(5)通过电沉积和热缩聚法制备了类石墨烯g-C_3N_4修饰的ZnO纳米棒阵列复合材料。该复合材料获得了明显提高的光响应活性,这主要归功于具有可见光响应的片层结构的类石墨烯g-C_3N_4对ZnO纳米棒的修饰,提高光生-电子空穴对的分离与传输效率。
【关键词】：ZnO纳米棒阵列 复合材料 光生-电子空穴对分离 光电化学性能 污染物降解
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;O646
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 前言13-38
• 1.1 光催化技术概论13-23
• 1.1.1 光催化研究背景13-14
• 1.1.2 光催化基本原理14-17
• 1.1.2.1 半导体能带结构14-15
• 1.1.2.2 光催化反应步骤15-17
• 1.1.3 光催化实际应用17-21
• 1.1.3.1 降解无机污染物18
• 1.1.3.2 降解有机污染物18-19
• 1.1.3.3 分解水制氢19
• 1.1.3.4 杀菌消毒19-20
• 1.1.3.5 合成反应20-21
• 1.1.4 光催化影响因素21-23
• 1.1.4.1 能带结构21
• 1.1.4.2 晶粒尺寸21-22
• 1.1.4.3 比表面积22
• 1.1.4.4 反应温度22
• 1.1.4.5 溶液pH值22
• 1.1.4.6 光源与光强22-23
• 1.2 光催化剂研究进展23-26
• 1.2.1 氧化锌光催化剂存在问题23
• 1.2.2 氧化锌光催化剂改性23-26
• 1.2.2.1 贵金属沉积23-24
• 1.2.2.2 离子掺杂24
• 1.2.2.3 半导体复合24-25
• 1.2.2.4 光敏化25-26
• 1.3 光催化与其他技术联用26-27
• 1.3.1 光催化与电催化耦合26-27
• 1.3.2 光催化与热催化耦合27
• 1.3.3 光催化与微波结合27
• 1.4 立题依据与研究方案27-31
• 1.4.1 立题依据27-29
• 1.4.2 研究方案与内容29-30
• 1.4.3 选题特色与创新之处30-31
• 参考文献31-38
• 第二章 实验部分38-43
• 2.1 主要试剂与仪器38-40
• 2.1.1 实验试剂38-39
• 2.1.2 实验仪器39-40
• 2.2 物相表征与性能测试40-43
• 2.2.1 X射线粉末衍射（XRD）40
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜（SEM）40
• 2.2.3 场发射透射电子显微镜（TEM）40
• 2.2.4 X射线光电子能谱（XPS）40
• 2.2.5 紫外可见漫反射吸收光谱（DRS）40
• 2.2.6 荧光发射光谱（PL）40
• 2.2.7 拉曼散射光谱（Raman）40-41
• 2.2.8 电流-时间曲线（I-T）41
• 2.2.9 线性伏安扫描法（I-V）41
• 2.2.10 莫特-肖特基曲线（M-S）41
• 2.2.11 交流阻抗曲线（EIS）41
• 2.2.12 光电催化降解（PEC）41
• 2.2.13 主要活性物质捕获实验41-42
• 2.2.14 化学荧光法测定羟基自由基（TA-PL）42-43
• 第三章 多孔ZnO/CdS/CdSe纳米管阵列的制备及其光电化学性能研究43-54
• 3.1 引言43-44
• 3.2 实验部分44-45
• 3.2.1 复合纳米材料的制备44
• 3.2.1.1 ZnO纳米棒阵列的制备44
• 3.2.1.2 多孔ZnO/CdS/CdSe纳米管阵列的制备44
• 3.2.2 光电化学性能评价44-45
• 3.2.2.1 电化学性能测试44
• 3.2.2.2 光电催化性能测试44-45
• 3.3 结果与讨论45-51
• 3.3.1 物相结构表征45-47
• 3.3.2 材料性能测试47-50
• 3.3.3 反应机理讨论50-51
• 3.4 本章小结51-52
• 参考文献52-54
• 第四章 ZnO/Cu_2O/CdS双异质结材料的制备及其光电化学性能研究54-68
• 4.1 引言54-55
• 4.2 实验部分55-56
• 4.2.1 ZnO/Cu_2O/CdS双异质结的制备55
• 4.2.2 光电化学性能评价55-56
• 4.2.2.1 电化学性能测试55-56
• 4.2.2.2 光电催化性能测试56
• 4.3 结果与讨论56-64
• 4.3.1 物相结构表征56-58
• 4.3.2 材料性能测试58-62
• 4.3.3 反应机理讨论62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 参考文献65-68
• 第五章 ZnO/BiOI核壳纳米材料的制备及光电化学性能研究68-81
• 5.1 引言68-69
• 5.2 实验部分69-70
• 5.2.1 ZnO/BiOI纳米棒阵列的制备69
• 5.2.2 光电化学性能评价69-70
• 5.2.2.1 电化学性能测试69-70
• 5.2.2.2 光电催化性能测试70
• 5.3 结果与讨论70-77
• 5.3.1 物相结构表征70-73
• 5.3.2 材料性能测试73-74
• 5.3.3 反应机理讨论74-77
• 5.4 本章小结77-78
• 参考文献78-81
• 第六章 ZnO/BiOBr复合纳米材料的制备及光电化学性能研究81-94
• 6.1 引言81-82
• 6.2 实验部分82-83
• 6.2.1 ZnO/BiOBr纳米棒阵列的制备82
• 6.2.2 光电化学性能评价82-83
• 6.2.2.1 电化学性能测试82-83
• 6.2.2.2 光电催化性能测试83
• 6.2.2.3 主要活性物质的检测83
• 6.3 结果与讨论83-90
• 6.3.1 物相结构表征83-86
• 6.3.2 材料性能测试86-88
• 6.3.3 反应机理讨论88-90
• 6.4 本章小结90-91
• 参考文献91-94
• 第七章 ZnO/g-C_3N_4复合纳米材料的制备及光电化学性能研究94-105
• 7.1 引言94-95
• 7.2 实验部分95
• 7.2.1 ZnO/g-C_3N_4纳米棒阵列的制备95
• 7.2.2 光电化学性能评价95
• 7.2.2.1 电化学性能测试95
• 7.2.2.2 光电催化性能测试95
• 7.3 结果与讨论95-101
• 7.3.1 物相结构表征95-98
• 7.3.2 材料性能测试98-100
• 7.3.3 反应机理讨论100-101
• 7.4 本章小结101-102
• 参考文献102-105
• 第八章 总结与展望105-107
• 8.1 总结105-106
• 8.2 展望106-107
• 硕士期间发表论文107-109
• 致谢109

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 彭辉;吴志红;张建林;卢静;吴晨啸;李培强;尹洪宗;;基于能带匹配理论设计CO_2光催化还原催化剂的研究进展[J];化工进展;2014年11期

2 郑云;潘志明;王心晨;;国内光催化研究进展简述(英文)[J];催化学报;2013年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 刘健;CdS/TiO_2复合薄膜的制备及其光电化学性能研究[D];太原理工大学;2014年

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本文编号：801598