空间场效应提升半导体光催化产氢性能研究
发布时间：2021-11-11 21:25
利用太阳能分解水制氢是解决能源短缺及环境污染问题的理想途径之一,适用于这一途径的半导体基光催化剂的开发受到众多研究者的青睐。虽然近年来相关研究已经取得较大进展,但半导体光催化剂的效率问题一直是制约光催化分解水制氢技术向前发展的关键因素。如何最大限度地提高催化剂表面参与反应的有效电荷的数量,降低光生电荷发生再复合几率,使更多电荷传输到表面,是解决光催化剂效率低问题的重要课题之一。空间场效应本征上具有提高半导体光催化剂性能的作用,有效构建半导体材料的内建电场,一方面能作为内在驱动力促进光生电子-空穴的有效分离,减少其复合几率;另一方面能调控光生载流子浓度分布变化,提高电荷参与表面反应的动力学进程,并最终实现光催化产氢性能的提升。本论文从催化剂的设计角度入手,尝试采用空间带隙策略、调控利用表界面缺陷、利用Plasmon金属的电磁场能量效应等调控半导体催化剂内部的空间场,并借助理论计算和多种实验表征手段细致研究了内建电场的形成及其对光催化产氢的促进作用。论文的主要研究内容及结果如下:（1）将空间带隙和表面缺陷策略引入催化剂构建中,通过调控催化剂粒子由内到外组成元素的比例,实现带隙宽度的递变式分...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 光催化反应的基本原理
1.2.1 光催化分解水的热力学因素
1.2.2 光催化分解水的三大基本过程
1.2.3 光催化分解水性能的评价指标
1.3 光催化反应体系的发展趋势和研究进展
1.3.1 单一半导体体系
1.3.2 多元半导体复合体系
1.3.3 半导体-金属复合体系
1.3.4 半导体-生物耦合体系
1.4 目前光催化分解水面临的挑战
1.5 构建高效的光催化分解水催化剂需要解决的关键性问题
1.5.1 提高吸光性能,拓展吸光范围
1.5.2 光生电荷的有效分离及高效传输问题
1.5.3 构建表面活性位,提高表面反应过程
1.6 与空间场效应相关策略在半导体调控方面的研究进展
1.6.1 空间带隙工程
1.6.2 构建Plasmon金属-半导体复合体系
1.6.3 表面-体相内建电场的构建
1.7 本课题的目的和意义
第二章 实验部分
2.1 主要试剂和原料
2.2 实验仪器
2.3 材料的制备
2.4 材料的表征方法和测试手段
2.4.1 X射线粉末衍射(XRD)
2.4.2 紫外可见光谱(UV-vis)
2.4.3 氮吸附脱附实验(N_2 adsorption-desorption)
2.4.4 扫描电子显微镜(SEM)
2.4.5 透射电子显微镜(TEM和高分辨电镜(HRTEM)
2.4.6 X射线光电子能谱(XPS)
2.4.7 荧光光谱表征(PL)
2.4.8 表面光电压表征(SPV)
2.4.9 电子顺磁共振表征(EPR)
2.4.10 拉曼光谱表征(Raman)
2.5 光催化制氢反应
2.5.1 光催化反应装置
2.5.2 液固相光催化反应
2.5.3 量子效率的计算
第三章 利用空间带隙和表面缺陷的协同效应构建高效光催化产氢催化剂
3.1 前言
3.2 实验部分
3.2.1 Zn_xCd_(1-x)S/SiO_2 光催化剂的制备
3.2.2 Zn_xCd_(1-x)S固溶体的制备
3.2.3 理论计算
3.3 结果与讨论
3.3.1 催化剂基本结构表征：XRD和氮吸附表征
3.3.2 催化剂形貌表征：透射电镜
3.3.3 催化剂空间结构表征：氩离子刻蚀XPS
3.3.4 DFT理论计算
3.3.5 紫外-可见漫反射光谱
3.3.6 催化剂的光谱表征
3.3.7 催化剂的光催化性能
3.3.8 表面缺陷本质
3.4 本章小结
第四章 镶嵌在半导体内部的Au纳米链及其表面等离子体耦合效应在提高光催化产氢性能方面的作用
4.1 引言
4.2 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂的制备
4.2.1 Au胶体的制备
4.2.2 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂的制备
4.3 结果与讨论
4.3.1 Au纳米粒子的表征
4.3.2 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂体系的形貌结构表征
4.3.3 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂的光催化产氢性能
4.3.4 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂的光学性质
4.3.5 反应机理
4.3.6 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂的光催化稳定性
4.3.7 不同含量Au纳米粒子镶嵌在Zn_xCd_(1-x)S内部后对光催化性能的影响
4.4 本章小结
第五章 CdS纳米粒子表界面缺陷的积极作用在促进光催化产氢反应中的应用
5.1 引言
5.2 催化剂体系的制备
5.3 结果与讨论
5.3.1 理论预测
5.3.2 CdS/TiO_2 体系的构建及形貌表征
5.3.3 CdS/TiO_2 体系结构表征
5.3.4 CdS/TiO_2 体系的光催化反应结果
5.3.5 CdS/TiO_2 体系的吸光性质表征
5.3.6 CdS/TiO_2 体系的荧光光谱表征
5.3.7 CdS/TiO_2 体系的XPS表征
5.3.8 CdS/TiO_2 体系的EPR表征
5.3.9 CdS纳米粒子表面缺陷在光催化反应中的积极作用
5.3.10 CdS纳米粒子与其他半导体复合体系及其光催化性能
5.4 本章小结
第六章 Pt/SiO_2 作为独立的助催化剂构建空间分离的光催化产氢活性中心
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 球形SiO_2 的制备
6.2.2 SiO_2 负载Pt纳米粒子(Pt/SiO_2)的制备
6.3 结果与讨论
6.3.1 形貌与结构
6.3.2 光催化反应活性
6.3.3 原位荧光光谱表征
6.3.4 Pt/SiO_2 作为独立的助催化剂体系的优势
6.4 本章小结
结论与展望
1.结论
2.展望
参考文献
作者简历
在学期间所取得的科研成果
致谢
本文编号：3489550
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 光催化反应的基本原理
1.2.1 光催化分解水的热力学因素
1.2.2 光催化分解水的三大基本过程
1.2.3 光催化分解水性能的评价指标
1.3 光催化反应体系的发展趋势和研究进展
1.3.1 单一半导体体系
1.3.2 多元半导体复合体系
1.3.3 半导体-金属复合体系
1.3.4 半导体-生物耦合体系
1.4 目前光催化分解水面临的挑战
1.5 构建高效的光催化分解水催化剂需要解决的关键性问题
1.5.1 提高吸光性能,拓展吸光范围
1.5.2 光生电荷的有效分离及高效传输问题
1.5.3 构建表面活性位,提高表面反应过程
1.6 与空间场效应相关策略在半导体调控方面的研究进展
1.6.1 空间带隙工程
1.6.2 构建Plasmon金属-半导体复合体系
1.6.3 表面-体相内建电场的构建
1.7 本课题的目的和意义
第二章 实验部分
2.1 主要试剂和原料
2.2 实验仪器
2.3 材料的制备
2.4 材料的表征方法和测试手段
2.4.1 X射线粉末衍射(XRD)
2.4.2 紫外可见光谱(UV-vis)
2.4.3 氮吸附脱附实验(N_2 adsorption-desorption)
2.4.4 扫描电子显微镜(SEM)
2.4.5 透射电子显微镜(TEM和高分辨电镜(HRTEM)
2.4.6 X射线光电子能谱(XPS)
2.4.7 荧光光谱表征(PL)
2.4.8 表面光电压表征(SPV)
2.4.9 电子顺磁共振表征(EPR)
2.4.10 拉曼光谱表征(Raman)
2.5 光催化制氢反应
2.5.1 光催化反应装置
2.5.2 液固相光催化反应
2.5.3 量子效率的计算
第三章 利用空间带隙和表面缺陷的协同效应构建高效光催化产氢催化剂
3.1 前言
3.2 实验部分
3.2.1 Zn_xCd_(1-x)S/SiO_2 光催化剂的制备
3.2.2 Zn_xCd_(1-x)S固溶体的制备
3.2.3 理论计算
3.3 结果与讨论
3.3.1 催化剂基本结构表征：XRD和氮吸附表征
3.3.2 催化剂形貌表征：透射电镜
3.3.3 催化剂空间结构表征：氩离子刻蚀XPS
3.3.4 DFT理论计算
3.3.5 紫外-可见漫反射光谱
3.3.6 催化剂的光谱表征
3.3.7 催化剂的光催化性能
3.3.8 表面缺陷本质
3.4 本章小结
第四章 镶嵌在半导体内部的Au纳米链及其表面等离子体耦合效应在提高光催化产氢性能方面的作用
4.1 引言
4.2 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂的制备
4.2.1 Au胶体的制备
4.2.2 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂的制备
4.3 结果与讨论
4.3.1 Au纳米粒子的表征
4.3.2 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂体系的形貌结构表征
4.3.3 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂的光催化产氢性能
4.3.4 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂的光学性质
4.3.5 反应机理
4.3.6 Au@Zn_xCd_(1-x)S催化剂的光催化稳定性
4.3.7 不同含量Au纳米粒子镶嵌在Zn_xCd_(1-x)S内部后对光催化性能的影响
4.4 本章小结
第五章 CdS纳米粒子表界面缺陷的积极作用在促进光催化产氢反应中的应用
5.1 引言
5.2 催化剂体系的制备
5.3 结果与讨论
5.3.1 理论预测
5.3.2 CdS/TiO_2 体系的构建及形貌表征
5.3.3 CdS/TiO_2 体系结构表征
5.3.4 CdS/TiO_2 体系的光催化反应结果
5.3.5 CdS/TiO_2 体系的吸光性质表征
5.3.6 CdS/TiO_2 体系的荧光光谱表征
5.3.7 CdS/TiO_2 体系的XPS表征
5.3.8 CdS/TiO_2 体系的EPR表征
5.3.9 CdS纳米粒子表面缺陷在光催化反应中的积极作用
5.3.10 CdS纳米粒子与其他半导体复合体系及其光催化性能
5.4 本章小结
第六章 Pt/SiO_2 作为独立的助催化剂构建空间分离的光催化产氢活性中心
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 球形SiO_2 的制备
6.2.2 SiO_2 负载Pt纳米粒子(Pt/SiO_2)的制备
6.3 结果与讨论
6.3.1 形貌与结构
6.3.2 光催化反应活性
6.3.3 原位荧光光谱表征
6.3.4 Pt/SiO_2 作为独立的助催化剂体系的优势
6.4 本章小结
结论与展望
1.结论
2.展望
参考文献
作者简历
在学期间所取得的科研成果
致谢
本文编号：3489550
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