基于二氧化钛@石墨烯核壳结构的空位调控及稳定性研究

发布时间：2021-03-19 21:17

　　伴随着社会的经济发展,日益严重的能源危机和环境污染问题是我们面对的一个重要难题。因此,开发和利用新的清洁能源变得越来越迫切。氢被认为是处理环境污染和能源危机的替代理想绿色能源。基于水分解的光催化半导体被认为是将氢转化为太阳能的关键。在所有的光催化材料中,二氧化钛作为纳米半导体材料由于其无毒、廉价、高活性和稳定性而广泛应用。但是二氧化钛有较大的禁带宽度而光响应范围较窄,只能吸收太阳光波段中的紫外部分,导致占据太阳能约50%的可见光不能利用。而且,光生电子-空穴对的复合以热或发光的形式耗散吸收的能量,这是导致其光催化效率低的主要原因之一。二元异质结在它们重新组合之前有助于分离和传输表面/界面载体。不仅如此,近年来人们还尝试在三元异质结中利用光生载流子,例如将二元复合物与大尺寸的还原氧化石墨烯（rGO）进行复合,这样可以促进光生载流子的收集,从而提高其利用率。针对以上问题,本论文从影响光催化剂催化效率的本质原因即光生电子和空穴的快速复合出发,设计了一系列基于TiO₂@rGO的分级复合材料,减少了光生电子与空穴的快速复合。主要研究内容如下:（1）具有表面氧空位和钛空位的T... 

【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：128 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

光催化过程示意图[5]

4大多数用于产氢的复合材料属于I型，因为II型中的电子占据导带可能不满足产氢电势。图1-2能带结构和二氧化钛与其他半导体的复合的三种电荷迁移方式[11]Fig1-2.BandstructuresandmigrationofthechargesinthreetypesofcombinationsystemsofTiO2withothersemiconductors硫化镉是一种常见的具有可见光活性的n型半导体，是最常应用于跟二氧

6图1-3位于锐钛矿和金红石相之间的表面同质结[24]Fig1-3.Surface-phasejunctionformedbetweenanataseandrutile[24]对α/β相Ga2O3的详细的研究，进一步研究了同质结结构的光催化性能和电荷分离[26]。发现α相和β相之间形成的同质结可显着提高Ga2O3基光催化裂解水的活性。通过瞬态荧光光谱研究，电子可以从导带位置较高的相转移到另一个相，这种同质相之间的电子转移比复合速度要快很多。最近，结合理论和实验，Scanlon和同事证明，锐钛矿的电子亲和能高于金红石，这有利于光生电子从金红石转移到锐钛矿[27]。虽然锐钛矿和金红石之间的电荷转移方向在文献中有争议的结论，但锐钛矿和金红石相形成的同质结的高效电荷分离效应在两个争论中都得到了共识。除锐钛矿和金红石相同质结结构外，研究人员还发现二氧化钛(B)与锐钛矿之间的界面也可以促进光生电荷的分离，提高光催化活性。Lin等人合成了由二氧化钛(B)纳米管和锐钛矿纳米颗粒组成的双晶结构，它显示出了比商业P25更高的产氢活性[28,29]。报告中指出二氧化钛(B)与锐钛矿之间在纳米尺度上的紧密接触能显著增强电荷分离效率从而提高光催化活性。Li等人合成锐钛矿/二氧化钛(B)核壳纳米纤维，发现该催化剂比单独的锐钛矿或二氧化钛(B)表现更好[30]。在研究具有锐钛矿纳米晶体的二氧化钛(B)纳米纤维时，Yang等人发现锐钛矿和二氧化钛(B)的晶面可以很好地匹配并形成稳定的界面[31]。他们提出二氧化钛(B)和锐钛矿的能带边缘的差异可以使光生空穴从锐钛矿迁移到二氧化钛(B)[32]。目前关于同质结结构二氧化钛的催化机理已经得到了广泛深入的研究。最让人信服的机理是电荷分离理论。该理论认为，对于促进光生电子和空穴分离的


本文编号：3090242