ZnO基光催化材料的制备及光电性质的研究

发布时间：2017-09-18 07:46

  本文关键词：ZnO基光催化材料的制备及光电性质的研究

  更多相关文章： 氧化锌 贵金属负载 稀土离子掺杂 光生电荷行为 光催化

【摘要】：近年来,世界面临两大难题:可再生能源的短缺和环境污染的恶化。半导体光催化作为解决这些问题最有前景的技术之一,引起了人们的广泛关注,因为它是一项“绿色”技术。光催化分解水可以产生对可再生能源应用最有益的两种气体:氧气和氢气。利用光催化剂所具有的氧化还原能力,可以在太阳光照射的环境条件下灭活病毒和/或完全的消除各种污染物。基于此,半导体氧化物,如Ti O2和ZnO等,已被广泛的用于光催化中。ZnO具有直接的宽带隙(3.3 e V)和大的激子结合能(60 me V),它是非常重要的II-VI族半导体之一。在光催化过程中,影响ZnO光催化效率的主要因素是光生电子和空穴的复合。光生电子和空穴会在ZnO颗粒的表面或内部快速复合,从而带来一个非常低的量子效率,导致ZnO结构体系的光催化效率降低。另一个限制ZnO实现高光催化效率的因素是窄的吸收光谱范围。因为ZnO只可以吸收紫外光,而这仅仅占总的太阳能辐射的3-5%。因此,我们利用贵金属负载及稀土离子掺杂等方法来使ZnO获得理想光电性质,从而达到提高其光催化活性的目的。尽管对于ZnO在光催化领域的应用做了大量研究,但是其改性后光生电荷的行为,包括光生电荷的产生、分离、传输及寿命的相关研究却鲜少报道。为此,我们深入地研究了ZnO结构体系中的光电特性及它与光催化活性之间的关系。本论文的主要工作是制备了贵金属Ag、Au修饰及稀土Ce掺杂的ZnO基光催化材料,借助表面光电压(SPV)及瞬态光电压(TPV)技术深入研究了改性后的ZnO的光生电荷行为及其对光催化性能的影响。主要围绕以下几部分工作展开:1.首先,通过一个简单的柠檬酸钠辅助的化学方法合成了ZnO空心球。然后,通过光致还原的方法在其表面负载了不同量的Ag纳米粒子。由紫外-可见漫反射吸收可以看出,虽然Ag的负载使ZnO的颜色发生了变化,但是在可见区没有出现由表面等离子体共振诱导的吸收峰,说明Ag的修饰并没有扩展其对光的吸收。随后,我们利用表面光电压对其光电性质进行了分析,发现,在紫外光的激发下,Ag纳米粒子作为电子受体,可以捕获光生电子,使光生电子-空穴对能够得到有效的分离。光催化活性实验结果表明Ag负载的ZnO在混合光下降解罗丹明B(Rh B)相较于纯ZnO有很大的提高,且存在一个最佳的负载量,而这一结果也与光电压结论一致。2.Ag、Au是修饰半导体最常用的贵金属。因此,我们在第一部分工作的基础上,用相同的方法合成了ZnO空心球,然后利用水热方法在其表面修饰了不同量的Au纳米粒子。不同于Ag/ZnO的是,Au纳米粒子修饰的ZnO在可见光区出现了由Plasmon诱导的吸收峰,但是通过表面光电压及可见光(λ420 nm)与混合光下的光催化活性对比,证明了Au的等离子体共振作用并没有对可见光范围的光催化起作用。由表面光电压和瞬态光电压谱图可知,在紫外光照射下,Au纳米粒子不仅可以促进光生电荷的分离与传输,也可以延长光生电荷的寿命,使其可以有效的参与到光催化反应中。随后的光催化性能实验也说明了Au的修饰可以有效的提高ZnO的光催化活性。3.对以上工作中ZnO空心球的合成方法进行改进,通过一步水浴合成方法制备了稀土Ce掺杂的ZnO,掺杂后的ZnO具有表面疏松多孔,比表面积大等优点。然后利用表面光电压及瞬态光电压技术研究了Ce掺杂对ZnO光电性质的影响,发现Ce4+可以捕获ZnO导带的电子,促进光生电子-空穴的分离,并且Ce掺杂后的ZnO的光生电荷寿命明显增长,这些都说明了Ce的掺杂有利于ZnO光电性质的优化。光催化降解实验不仅证明了Ce掺杂的ZnO具有较高的光催化活性,也证明了回收后的样品对于降解其它染料仍保持较高的活性而并未被光腐蚀。
【关键词】：氧化锌 贵金属负载 稀土离子掺杂 光生电荷行为 光催化
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 前言13-35
• 1.1 引言13
• 1.2 光催化技术简介13-20
• 1.2.1 光催化反应机理14-16
• 1.2.2 光催化的应用16-20
• 1.2.2.1 光催化在污染物降解方面的应用16-17
• 1.2.2.2 光催化在能源方面的应用17-18
• 1.2.2.3 光催化在微生物失活方面的应用18-20
• 1.3 提高半导体金属氧化物光催化效率的策略20-31
• 1.3.1 形貌调控20-23
• 1.3.2 贵金属负载23-25
• 1.3.3 半导体异质结构的构建25-27
• 1.3.4 离子掺杂27-31
• 1.3.4.1 金属离子掺杂27-30
• 1.3.4.2 非金属离子掺杂30-31
• 1.4 ZnO介绍31-32
• 1.5 在表面/界面的光生电荷性质的检测方法32-33
• 1.5.1 表面光电压技术32-33
• 1.6 立题思想与主要研究内容33-35
• 第二章 Ag负载ZnO空心球复合材料的光催化活性与光生电荷行为的研究35-43
• 2.1 引言35-36
• 2.2 实验部分36-38
• 2.2.1 试剂与仪器36-37
• 2.2.2 Ag负载的ZnO空心球的制备过程37
• 2.2.2.1 合成ZnO空心球37
• 2.2.2.2 合成Ag负载的ZnO空心球37
• 2.2.3 表征手段37
• 2.2.4 光催化性能测试37-38
• 2.3 结果与讨论38-42
• 2.3.1 Ag负载的ZnO空心球的结构与物相分析38-39
• 2.3.2 Ag负载的ZnO空心球复合材料的紫外-可见漫反射吸收分析39-40
• 2.3.3 Ag负载的ZnO空心球复合材料光生电荷行为的研究40-41
• 2.3.4 Ag/ZnO空心球复合材料的光催化性能评价41-42
• 2.4 小结42-43
• 第三章 Au纳米粒子负载的ZnO空心球复合材料的光生电荷行为及光催化活性的研究43-56
• 3.1 引言43-44
• 3.2 实验部分44-46
• 3.2.1 实验试剂与仪器44-45
• 3.2.2 Au/ZnO复合光催化材料的制备45
• 3.2.3 Au/ZnO的表征方法45
• 3.2.4 Au/ZnO光催化活性评价方法45-46
• 3.3 结果与讨论46-55
• 3.3.1 Au/ZnO空心球复合材料结构性质与形貌的表征46-50
• 3.3.2 Au/ZnO空心球复合材料的紫外-可见漫反射吸收分析50-51
• 3.3.3 Au/ZnO空心球复合材料的光电性质研究51-53
• 3.3.4 Au/ZnO空心球复合材料的光催化性能评价53-55
• 3.4 小结55-56
• 第四章 稀土Ce掺杂ZnO的光催化活性与光生电荷行为的研究56-70
• 4.1 引言56-57
• 4.2 实验部分57-59
• 4.2.1 实验试剂与仪器57-58
• 4.2.2 Ce掺杂ZnO光催化剂的制备58
• 4.2.3 Ce掺杂ZnO光催化剂的表征手段58
• 4.2.4 Ce掺杂ZnO的光催化性能实验58-59
• 4.3 结果与讨论59-69
• 4.3.1 Ce掺杂ZnO结构性质的表征分析59-64
• 4.3.2 Ce掺杂ZnO光催化剂的紫外-可见漫反射吸收谱图分析64-65
• 4.3.3 Ce/ZnO光催化剂的光电性质的分析65-67
• 4.3.4 Ce掺杂的ZnO光催化剂的光催化性能67-69
• 4.4 小结69-70
• 第五章 总结与展望70-72
• 参考文献72-89
• 作者简介89
• 硕士学位期间发表论文89-90
• 致谢90

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