多元复合半导体微纳体系的构筑及光催化性能研究
发布时间：2021-10-28 13:39
近年来,能源匮乏和环境污染成为人类社会和经济可持续发展面临的两大问题。光催化技术可以通过光催化剂利用地球上丰富的太阳能资源实现清洁能源的制备,被认为是解决这两大问题行之有效的途径之一。其中,如何提高光催化过程中光催化剂对太阳能的利用、转换效率以及其长期使用的稳定性成为该研究的重中之重。近年来BiVO4和Fe2O3等氧化物半导体材料因其能够吸收可见光的特性受到了科研人员的青睐。然而,它们本身对太阳光低的吸收和高效的载流子复合效率严重的限制了他们的应用。本文利用助催化剂的负载,离子掺杂以及形貌调控等方法,对其进行改性并提高了其可见光响应的光催化活性。本文的研究内容主要分为以下两个方面:（1）采用助催化剂负载的策略在拓展吸收光谱的同时提高半导体的载流子分离效率。首先,我们采用简单的水热法合成了二维片状的BiVO4单体。随后,分别利用光还原法和水热法,将Au和NiS负载在BiVO4表面,形成二元复合光催化剂材料。基于此,我们将所制备的具有最高效率的两个二元复合催化剂整合成三元催化剂,得...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
绿色Bi1-xInxV1-xMoxO4的合成图[44]
表面等离子体共振(LSPR)是一种光学现象,是金属纳米团簇上的电子云与入射光的电场共振产生的振荡。这种效应导致了高强度的光散射,并在金属纳米粒子的表面产生了强烈的电场,从而产生了强烈的光谱吸收和散射峰。共振的频率可以通过改变纳米颗粒的大小、形状以及金属纳米团簇的结构来进行调节,从而在可见光谱范围内获得更大的吸收。其对可见光的吸收利用机理与上面提到的染料敏化相似,金属纳米粒子通过LSPR实现对可见光的吸收并产生热电子,随后产生的电子传递到半导体的表面上参与化学反应。Furube,A等人[49]利用飞秒级瞬态吸收光谱法(TAS)直接观察到等离子体共振效应产生的电子注入到TiO2中。研究结果表明,电子注入在50秒内完成,电子注入产率在20-50%范围。此外,Kazuma,E等人[50]利用开尔文探针显微镜法研究了Au和TiO2界面上光生载流子的分离。如图1-4所示,结果表明,在可见光和近红外(NIR)光的作用下,电子从等离子体Au纳米粒子向TiO2传递,而在紫外光激发下的电子传递是相反的,从TiO2向Au传递。热电子从Au纳米粒子注入到TiO2的导带上被认为是在没有超势垒能的情况下,通过肖特基势垒的量子隧穿效应发生的。Seh,Z等人[51]合成了非中心对称的Janus Au/TiO2粒子,研究表明,在Au-TiO2界面上的高度局域等离子体效应所产生的,增强的光学吸收和光诱导产生大量的电子空穴对,是该催化剂在可见光下展现较好光催化性能的主要原因。1.4.4 复合半导体
半导体光催化剂具有长的载流子寿命是驱动与光催化反应相关的多电子反应必不可少的条件,这需要在界面上对载流子进行空间上的分离。Takanabe等人[52]用一个简单的二维数字模型,说明了电荷分离所需要的电位梯度只存在于半导体表面附近有限的、高度受限的区域内。因此,为了保证从半导体中提取大部分光生载流子,必须形成低损耗的电子触点(异质结)。异质结通常被定义为两个具有不同能带结构的半导体之间的界面。几个参数对异质结的效率起着决定性的作用,包括内建电位、载流子浓度和载流子迁移率。总之,一个高效、稳定的光催化体系需要全面考虑异质结光催化剂的界面质量、电子能带结构、材料选择和结构。根据能带位置的不同,如图1-5所示,我们将其分为三种类型:I-型、II-型和III-型三种类型[53]。对于I-型来说(图1-5a),半导体A的导带和价带分别高于和低于半导体B的相应能带。因此,在光的照射下,电子和空穴将分别在半导体B的导带和价带上积累。由于光生载流子都集中在一种半导体上,因此在I-型异质结光催化剂中,光生载流子分离效率很低。此外,化学反应都发生在电势较低的半导体上,从而大大降低了催化剂的反应活性。对于II-型异质结光催化剂(图1-5b)半导体A的导带和价带水平分别高于半导体B的相应水平。因此,在光照条件下,光生电子将转移到半导体B的导带上,而光生空穴将迁移到半导体A价带上,从而实现电子空穴对在空间上的分离。与I-型异质结类似,II-型异质结光催化剂的反应活性能力也会降低,因为还原反应和氧化反应分别发生都发生在电势较低的半导体上。如图1-5c所示,III-型异质结光催化剂的结构带隙不重叠。因此,在III-型异质结中,两个半导体之间不发生电子和空穴的转移过程,因此不适合增强电子空穴对的分离。在上述的传统异质结中,II-型异质结,由于其最适合电子空穴对的分离,可以有效的增强光催化效率。
本文编号：3462888
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
绿色Bi1-xInxV1-xMoxO4的合成图[44]
表面等离子体共振(LSPR)是一种光学现象,是金属纳米团簇上的电子云与入射光的电场共振产生的振荡。这种效应导致了高强度的光散射,并在金属纳米粒子的表面产生了强烈的电场,从而产生了强烈的光谱吸收和散射峰。共振的频率可以通过改变纳米颗粒的大小、形状以及金属纳米团簇的结构来进行调节,从而在可见光谱范围内获得更大的吸收。其对可见光的吸收利用机理与上面提到的染料敏化相似,金属纳米粒子通过LSPR实现对可见光的吸收并产生热电子,随后产生的电子传递到半导体的表面上参与化学反应。Furube,A等人[49]利用飞秒级瞬态吸收光谱法(TAS)直接观察到等离子体共振效应产生的电子注入到TiO2中。研究结果表明,电子注入在50秒内完成,电子注入产率在20-50%范围。此外,Kazuma,E等人[50]利用开尔文探针显微镜法研究了Au和TiO2界面上光生载流子的分离。如图1-4所示,结果表明,在可见光和近红外(NIR)光的作用下,电子从等离子体Au纳米粒子向TiO2传递,而在紫外光激发下的电子传递是相反的,从TiO2向Au传递。热电子从Au纳米粒子注入到TiO2的导带上被认为是在没有超势垒能的情况下,通过肖特基势垒的量子隧穿效应发生的。Seh,Z等人[51]合成了非中心对称的Janus Au/TiO2粒子,研究表明,在Au-TiO2界面上的高度局域等离子体效应所产生的,增强的光学吸收和光诱导产生大量的电子空穴对,是该催化剂在可见光下展现较好光催化性能的主要原因。1.4.4 复合半导体
半导体光催化剂具有长的载流子寿命是驱动与光催化反应相关的多电子反应必不可少的条件,这需要在界面上对载流子进行空间上的分离。Takanabe等人[52]用一个简单的二维数字模型,说明了电荷分离所需要的电位梯度只存在于半导体表面附近有限的、高度受限的区域内。因此,为了保证从半导体中提取大部分光生载流子,必须形成低损耗的电子触点(异质结)。异质结通常被定义为两个具有不同能带结构的半导体之间的界面。几个参数对异质结的效率起着决定性的作用,包括内建电位、载流子浓度和载流子迁移率。总之,一个高效、稳定的光催化体系需要全面考虑异质结光催化剂的界面质量、电子能带结构、材料选择和结构。根据能带位置的不同,如图1-5所示,我们将其分为三种类型:I-型、II-型和III-型三种类型[53]。对于I-型来说(图1-5a),半导体A的导带和价带分别高于和低于半导体B的相应能带。因此,在光的照射下,电子和空穴将分别在半导体B的导带和价带上积累。由于光生载流子都集中在一种半导体上,因此在I-型异质结光催化剂中,光生载流子分离效率很低。此外,化学反应都发生在电势较低的半导体上,从而大大降低了催化剂的反应活性。对于II-型异质结光催化剂(图1-5b)半导体A的导带和价带水平分别高于半导体B的相应水平。因此,在光照条件下,光生电子将转移到半导体B的导带上,而光生空穴将迁移到半导体A价带上,从而实现电子空穴对在空间上的分离。与I-型异质结类似,II-型异质结光催化剂的反应活性能力也会降低,因为还原反应和氧化反应分别发生都发生在电势较低的半导体上。如图1-5c所示,III-型异质结光催化剂的结构带隙不重叠。因此,在III-型异质结中,两个半导体之间不发生电子和空穴的转移过程,因此不适合增强电子空穴对的分离。在上述的传统异质结中,II-型异质结,由于其最适合电子空穴对的分离,可以有效的增强光催化效率。
本文编号：3462888
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