TiO 2 球形反蛋白石光子晶体的制备及其光解水性能研究
发布时间：2022-02-15 09:24
随着科技的进步,利用半导体光催化剂将太阳能转化为氢能来解决能源危机已经受到了研究者的广泛关注。对于半导体光催化剂来说,光解水产氢性能的影响因素主要包括三个方面:光的吸收效率、光生电荷的分离和复合,以及半导体表面的氧化还原反应。其中太阳光的捕获效率和光生电子-空穴的复合将直接决定其光催化反应效率的高低。因此,提高光催化剂对太阳光的吸收效率、降低光生电子-空穴的复合成为了解决问题的关键。研究者发现光子晶体结构所特有的慢光子效应可以有效的提高光催化剂的光催化性能。原因是反蛋白石光子晶体结构不仅有较大的介质折射率,可以产生全向光子带隙,而且具有较高的比表面积,有利于和反应物质的接触。然而,光子晶体结构在光催化反应中仍然存在一些问题:通常光子晶体以薄膜或块体的形式存在,对入射光角度具有依赖性,严重减弱了反应中材料的光催化效率。针对上述问题,本论文利用微流控技术设计合成了球形的二氧化钛反蛋白石光子晶体结构（IO-TiO2-S）。球形结构光子晶体能够在光催化反应中实现非定向慢光子效应,可以解决光催化反应中薄膜或块状光子晶体对入射光角度的依赖性。具体工作如下:1.本章经过前期一系...
【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】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见半导体光催化剂的导带价带位置和光解水反应中的氧化还原电位[8]
3在自然界中，二氧化钛主要有四种晶体结构：锐钛矿、金红石、板钛矿和TiO2(B)，四种TiO2晶型均由TiO6八面体组成，但是八面体单元的变形不同，分别以不同的方式共享边和角，如图1-2所示。对于锐钛矿，八面体呈锯齿形排列，沿(221)面公用四条边；而金红石晶和板钛矿结构由八面体通过共顶点和共边的方式组成[9,10]；TiO2(B)主要来源于层状钛酸盐，因此，TiO2(B)的结构与层状钛酸盐相似，这种层状结构是由边和角公用组成的TiO6八面体[11]。这些晶格结构的不同导致了不同晶型二氧化钛质量密度和电子带结构的差异。热力学上，金红石相最稳定，其他三相均为亚稳态，在高温下退火后均可得到金红石相。图1-2二氧化钛在不同相中的晶体结构:(a)锐钛矿,(b)金红石,(c)板钛矿,和(d)TiO2(B)[12]Figure1-2CrystallinestructuresofTiO2indifferentphases:(a)anatase,(b)rutile,(c)brookite,and(d)TiO2(B)[12]由于其不同的物理/化学性质不同形式的二氧化钛已经应用在了不同领域[13-15]，最广泛的研究仍然是用作太阳能转换材料。不同形式的二氧化钛的光催
4化活性不同，应用最多的是锐钛矿相和金红石相二氧化钛。由于晶格结构差异导致不同的带隙：锐钛矿3.20eV对应于384nm，金红石3.02eV对应于410nm。这使得锐钛矿比金红石具有略高的氧化还原能力，尽管前者的光吸收范围略小于后者。与金红石相比，锐钛矿相还具有更多的活性位点（例如氧空位），更有利于反应的进行。由于锐钛矿的这些优点，它通常在反应中显示出比金红石高得多的光催化活性。1.2.2光催化产氢原理从热力学角度考虑，光解水产氢过程是一个吉布斯自由能增大的反应（=+273.2kJ/mol）。因此，光解水反应的半导体材料满足两个热力学条件：一是半导体材料的禁带宽度要大于1.23eV（水的分解电压）。研究发现，半导体禁带宽度在1.5~2.5eV之间的光催化材料最适合用于光解水产氢。二是半导体的导带位置要高于H+/H2的还原电位，而价带位置要低于O2/H2O的氧化电位，此时半导体吸收能量大于等于禁带宽度的光辐射，电子从价带位置跃迁至导带，相应地在价带位置产生空穴。图1-3半导体光催化剂光解水反应示意图Figure1-3Schematicillustrationofphotocatalyticwatersplittingoverasemiconductorphotocatalyst
本文编号：3626371
【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】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见半导体光催化剂的导带价带位置和光解水反应中的氧化还原电位[8]
3在自然界中，二氧化钛主要有四种晶体结构：锐钛矿、金红石、板钛矿和TiO2(B)，四种TiO2晶型均由TiO6八面体组成，但是八面体单元的变形不同，分别以不同的方式共享边和角，如图1-2所示。对于锐钛矿，八面体呈锯齿形排列，沿(221)面公用四条边；而金红石晶和板钛矿结构由八面体通过共顶点和共边的方式组成[9,10]；TiO2(B)主要来源于层状钛酸盐，因此，TiO2(B)的结构与层状钛酸盐相似，这种层状结构是由边和角公用组成的TiO6八面体[11]。这些晶格结构的不同导致了不同晶型二氧化钛质量密度和电子带结构的差异。热力学上，金红石相最稳定，其他三相均为亚稳态，在高温下退火后均可得到金红石相。图1-2二氧化钛在不同相中的晶体结构:(a)锐钛矿,(b)金红石,(c)板钛矿,和(d)TiO2(B)[12]Figure1-2CrystallinestructuresofTiO2indifferentphases:(a)anatase,(b)rutile,(c)brookite,and(d)TiO2(B)[12]由于其不同的物理/化学性质不同形式的二氧化钛已经应用在了不同领域[13-15]，最广泛的研究仍然是用作太阳能转换材料。不同形式的二氧化钛的光催
4化活性不同，应用最多的是锐钛矿相和金红石相二氧化钛。由于晶格结构差异导致不同的带隙：锐钛矿3.20eV对应于384nm，金红石3.02eV对应于410nm。这使得锐钛矿比金红石具有略高的氧化还原能力，尽管前者的光吸收范围略小于后者。与金红石相比，锐钛矿相还具有更多的活性位点（例如氧空位），更有利于反应的进行。由于锐钛矿的这些优点，它通常在反应中显示出比金红石高得多的光催化活性。1.2.2光催化产氢原理从热力学角度考虑，光解水产氢过程是一个吉布斯自由能增大的反应（=+273.2kJ/mol）。因此，光解水反应的半导体材料满足两个热力学条件：一是半导体材料的禁带宽度要大于1.23eV（水的分解电压）。研究发现，半导体禁带宽度在1.5~2.5eV之间的光催化材料最适合用于光解水产氢。二是半导体的导带位置要高于H+/H2的还原电位，而价带位置要低于O2/H2O的氧化电位，此时半导体吸收能量大于等于禁带宽度的光辐射，电子从价带位置跃迁至导带，相应地在价带位置产生空穴。图1-3半导体光催化剂光解水反应示意图Figure1-3Schematicillustrationofphotocatalyticwatersplittingoverasemiconductorphotocatalyst
本文编号：3626371
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