金属氧化物半导体光催化剂界面修饰及其电子转移机制研究
发布时间：2022-01-23 09:18
日益严重的能源和环境污染问题使开发可再生的清洁能源迫在眉睫。太阳能和氢能是两种广受关注的新能源,通过光催化技术将太阳能转化为氢能受到了研究者的高度关注。其中,高效、稳定的催化剂的设计和组装是研究的重点。由于过渡金属氧化物的价态可调、结构丰富及价格低廉等优异特性,被认为是具有实际应用价值的半导体光催化剂。本论文基于具有一定光催化活性的氧化亚铜和氧化锌,以卟啉和金属有机框架（MOFs）作为光吸收天线,通过非共价相互作用构建了一系列金属氧化物/卟啉和金属氧化物/MOFs纳米组装体,并进一步研究了组装体的组装机制、光催化析氢活性及光生电子转移机理,其主要研究内容如下:以立方相氧化亚铜为电子受体和活性中心,5,10,15,20-四（4-磺酰基苯基）卟啉（TSPP）为光捕获天线和电子供体,构建了TSPP/Cu2O异质结构纳米光催化剂。通过紫外可见光谱、红外光谱、理论计算等手段详细研究了其组装机理。结果表明,TSPP通过双重相互作用锚定在立方相Cu2O上,这不但能提高TSPP与Cu2O之间的相互作用,也能有效抑制Cu2O的氧化和TSPP分子之间的聚集。此外,进一步对比研究了多种相关材料的光催化析氢性...
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体光催化析氢机理示意图[17]
饕?逑衷诠獯呋?恋哪艽?位置、晶体结构、形貌尺寸等几个方面。因此，相关文献报导的针对光催化剂的改性也主要围绕这几个影响因素展开。1.2.3.1能带结构调控光催化剂参与催化反应最重要的一步就是吸收太阳光并被激发，但是只有当半导体光催化剂被合适能量的光源(hν≥Eg)照射时，半导体才能被激发从而产生光生电子。如果半导体的带隙较宽，就会使得吸收的光集中在紫外光区域，导致对光的利用率过低。半导体的能带位置直接决定了其发生氧化还原反应的能力，因此目前众多研究者希望通过改变其能带结构来提高对可见光的响应(图1.2)。图1.2三种优化光催化剂能带结构以提高其光响应的示意图[36]。Fig.1.2Schematicdiagramofthreeoptimizedphotocatalystbandstructurestoimprovetheirlightresponse[36].
ZIFs克服了一般MOFs材料水热稳定性差的问题，这为其广阔的应用前景提供了独特的可能性。2006年，Yaghi课题组[66]首次合成了几种不同结构的ZIFs，其孔径范围为0.7-13.1，是用于气体存储和分离的理想材料。自此，大量的ZIFs拓扑结构被争先报道，而ZIF-8是其中被研究最广泛的ZIFs物种之一。ZIFs的框架中含有规则的孔和通道，能允许客体分子进入并可以在分子水平识别物种[67]。除此之外，ZIFs的骨架在改性方面也具有极大的灵活性，有时甚至允许合理设计其表面性质。因此，ZIFs在实际应用中要比其他类型的MOFs更有优势。图1.4MOFs与不同功能材料复合的示意图[70]。Fig.1.4SchematicdiagramofcompositeMOFswithdifferentfunctionalmaterials[70].与MOFs材料一样，ZIFs也可视为半导体材料，其导带由金属中心外层空轨道组成，而价带则由与之桥联的有机分子的外层轨道组成[68]。与传统催化剂相比，ZIFs具有较高的孔隙率和比表面积，这在催化过程中能促进对入射光的吸收，同时可以提供更多的反应活性位点。不过，具有光催化活性的MOFs带隙通常较宽，且在水溶液中的稳定性较差，限制了其作为光催化剂的应用[69]。此时，若将MOFs与其它活性材料(如氧化物、金属颗粒、聚合物等，如图1.4所示)进行复合，MOFs材料结构可控的优势就得到发挥，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mn掺杂Cu2O微粒的制备及其光催化性能研究[J]. 刘宗斌,余晓皎,张健,余中,刘广钧,赵宁宁,姚秉华. 应用化工. 2020(07)
[2]AgI负载纳米介孔TiO2的制备及其光降解性能[J]. 高瑞,侯万国. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2020(02)
[3]浅谈金属氧化物气敏传感材料的改性[J]. 吴进,王雪晴. 科技与创新. 2020(05)
[4]氢安全研究现状及面临的挑战[J]. 郑津洋,刘自亮,花争立,顾超华,王赓,陈霖新,张一苇,朱盛依,韩武林. 安全与环境学报. 2020(01)
[5]Cu掺杂的金红石相金属氧化物半导体吸附HCl气体的光催化性能研究[J]. 陈杨. 工程技术研究. 2020(03)
[6]敏化氮化碳的制备及其光催化性能[J]. 王帅,常薇,李云锋,尚嘉钰. 西安工程大学学报. 2019(04)
[7]Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究[J]. 程丽,王德兴,张杨,苏丽萍,陈淑妍,王晓峰,孙鹏,易重桂. 物理学报. 2018(04)
[8]能源利用现状与对策[J]. 唐群. 四川水泥. 2015(01)
本文编号：3604054
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体光催化析氢机理示意图[17]
饕?逑衷诠獯呋?恋哪艽?位置、晶体结构、形貌尺寸等几个方面。因此，相关文献报导的针对光催化剂的改性也主要围绕这几个影响因素展开。1.2.3.1能带结构调控光催化剂参与催化反应最重要的一步就是吸收太阳光并被激发，但是只有当半导体光催化剂被合适能量的光源(hν≥Eg)照射时，半导体才能被激发从而产生光生电子。如果半导体的带隙较宽，就会使得吸收的光集中在紫外光区域，导致对光的利用率过低。半导体的能带位置直接决定了其发生氧化还原反应的能力，因此目前众多研究者希望通过改变其能带结构来提高对可见光的响应(图1.2)。图1.2三种优化光催化剂能带结构以提高其光响应的示意图[36]。Fig.1.2Schematicdiagramofthreeoptimizedphotocatalystbandstructurestoimprovetheirlightresponse[36].
ZIFs克服了一般MOFs材料水热稳定性差的问题，这为其广阔的应用前景提供了独特的可能性。2006年，Yaghi课题组[66]首次合成了几种不同结构的ZIFs，其孔径范围为0.7-13.1，是用于气体存储和分离的理想材料。自此，大量的ZIFs拓扑结构被争先报道，而ZIF-8是其中被研究最广泛的ZIFs物种之一。ZIFs的框架中含有规则的孔和通道，能允许客体分子进入并可以在分子水平识别物种[67]。除此之外，ZIFs的骨架在改性方面也具有极大的灵活性，有时甚至允许合理设计其表面性质。因此，ZIFs在实际应用中要比其他类型的MOFs更有优势。图1.4MOFs与不同功能材料复合的示意图[70]。Fig.1.4SchematicdiagramofcompositeMOFswithdifferentfunctionalmaterials[70].与MOFs材料一样，ZIFs也可视为半导体材料，其导带由金属中心外层空轨道组成，而价带则由与之桥联的有机分子的外层轨道组成[68]。与传统催化剂相比，ZIFs具有较高的孔隙率和比表面积，这在催化过程中能促进对入射光的吸收，同时可以提供更多的反应活性位点。不过，具有光催化活性的MOFs带隙通常较宽，且在水溶液中的稳定性较差，限制了其作为光催化剂的应用[69]。此时，若将MOFs与其它活性材料(如氧化物、金属颗粒、聚合物等，如图1.4所示)进行复合，MOFs材料结构可控的优势就得到发挥，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mn掺杂Cu2O微粒的制备及其光催化性能研究[J]. 刘宗斌,余晓皎,张健,余中,刘广钧,赵宁宁,姚秉华. 应用化工. 2020(07)
[2]AgI负载纳米介孔TiO2的制备及其光降解性能[J]. 高瑞,侯万国. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2020(02)
[3]浅谈金属氧化物气敏传感材料的改性[J]. 吴进,王雪晴. 科技与创新. 2020(05)
[4]氢安全研究现状及面临的挑战[J]. 郑津洋,刘自亮,花争立,顾超华,王赓,陈霖新,张一苇,朱盛依,韩武林. 安全与环境学报. 2020(01)
[5]Cu掺杂的金红石相金属氧化物半导体吸附HCl气体的光催化性能研究[J]. 陈杨. 工程技术研究. 2020(03)
[6]敏化氮化碳的制备及其光催化性能[J]. 王帅,常薇,李云锋,尚嘉钰. 西安工程大学学报. 2019(04)
[7]Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究[J]. 程丽,王德兴,张杨,苏丽萍,陈淑妍,王晓峰,孙鹏,易重桂. 物理学报. 2018(04)
[8]能源利用现状与对策[J]. 唐群. 四川水泥. 2015(01)
本文编号：3604054
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3604054.html
教材专著
