三氧化钨基异质结半导体光催化剂的制备及其光电催化性能研究

发布时间：2017-12-11 20:02

  本文关键词：三氧化钨基异质结半导体光催化剂的制备及其光电催化性能研究

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【摘要】：半导体光催化技术在解决人类面临的环境污染和能源紧缺两大问题上显示了优越的性能。氧化钨基半导体光催化剂由于具有可见光吸收、易制备等优点,一般被应用在光催化降解有机染料和裂解水等领域。然而,较低的量子效率,较高的光激载流子复合几率等问题限制了氧化钨在光催化领域的发展。人们针对优化氧化钨基半导体光催化剂做了大量的研究。其中,通过构筑有效的异质结构,一方面可以在界面处构建内电场,促进光激电子-空穴对的分离,另一方面可以利用窄带系半导体敏化宽带隙半导体,提高光响应范围,因此被认为是一种高效的改性方法。本论文针对氧化钨基半导体光催化剂在制备和应用中面临的实际问题,采用理论和实验相结合的研究方法,构建了同质异相结和肖特基结两种异质结光催化剂,改善了氧化钨基半导体光催化剂的光催化和光电催化性能,并进一步揭示了两种异质结构的改性机理。一方面,基于氧化钨在制备中多晶相、易调控的特点,通过构筑同质异相结对其进行改性修饰,并探索形成氧化钨基同质异相结的微观机制,揭示了半导体光响应能力、电子迁移速率以及能带匹配之间的关系。另一方面,通过在氧化钨薄膜上负载金纳米颗粒构筑肖特基结,探索金纳米颗粒改善氧化钨光电化学性能的作用机理,揭示了金纳米颗粒的双作用机制,为进一步设计新型高效的具有可见光活性的半导体光催化剂提供理论指导。主要研究内容以及研究成果如下:第一章的主要内容是介绍本论文的研究背景和意义。简单阐述了半导体光催化技术的基本原理、存在的问题、主要改性手段以及WO_3基光催化剂的概况。此外,针对不同种类异质结构筑的原理和特点进行了详细的介绍。最后阐述了本论文的选题思想和主要研究内容。第二章我们以构筑同质异相结为主要改性手段,针对WO_3在实验制备过程中多晶相、易调控的特点,通过构筑同质异相结对其进行改性研究,在此基础上,探索了形成WO_3基同质异相结的微观机制,揭示了半导体光响应能力、电子迁移速率以及能带匹配三者之间的关系。XRD测试结果表明,我们采用一步水热法,通过调控反应的pH值,成功制备了具有不同晶相组分的WO_3同质异相结光催化剂。SEM和HRTEM测试结果表明,其主要由六方钨青铜矿与立方烧绿石结构组成,在该同质异相结中,棒状的六方相插入了块状的立方相中,形成类刺猬状结构。通过降解水中污染物(RhB)以及光催化裂解水产氧两个实验,对制备的光催化剂性能进行了评估。测试结果表明,WO_3同质异相结光催化剂较单一晶相的WO_3在全光谱和可见光条件下均具有更高的光催化活性。机理分析表明,在同质异相结的界面处形成了有效的内建电场,促进了光激电子-空穴对的分离,进而改善了光催化剂的光电化学性能。我们的研究为合成更高效的WO_3基光催化剂提供了指导。第三章我们以构筑肖特基结为主要改性手段,'针对WO_3基半导体光催化剂空穴易参与反应的特点,通过构筑Au/WO_3肖特基结对其进行改性研究,在此基础上,探索了 Au纳米颗粒改善WO_3光电化学性能的作用机理,揭示了 Au的双作用机制。XRD、SEM和XPS测试结果表明,我们采用晶种-水热法,通过调控反应中的pH值,成功制备了六方相WO_3薄膜,再通过浸渍-煅烧法在WO_3薄膜上负载Au纳米颗粒,实现了 Au纳米颗粒修饰的WO_3光电极的制备。光电流密度测试结果表明,WO_3肖特基结光催化剂具有比单一 WO_3更加优异的光电化学性能。HRTEM和UV-vis测试结果表明,10-20nm的Au纳米颗粒具有表面等离子体共振效应,可以将Au/WO_3的光吸收范围扩至700nm。Mott-Schottky曲线和理论计算结果表明,在Au/WO_3界面处存在一内建电场可以促进光激电子-空穴对的分离。机理分析结果指出,Au/WO_3光电极优异的光电化学性能源于Au纳米颗粒的SPR和内建电场两者之间的协同效应。此外,由于Au纳米颗粒可能会提供更多光激载流子的复合位点,因此Au的负载量存在一最优值,需要在实验中合理调控。我们的研究工作能够为设计新型高效的具有可见光活性的半导体光催化剂提供指导。第四章为总结与展望。总结本文工作的同时,对后续拟开展的研究进行了展望。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36

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本文编号：1279710