超薄二维纳米材料的电子结构调控及其在光催化领域的应用

发布时间：2018-03-19 00:31

  本文选题：超薄　切入点：二维　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近些年来,由于人类对化石燃料的过度开发和使用,当今社会面临着严峻的能源与环境危机。因此,我们亟需开发新型的环境友好型能源以实现社会的可持续发展。在能源转换领域中,半导体光催化反应能直接将太阳能转化为清洁的化学能源,它被认为是一种解决环境污染与能源危机的有效途径。基于此,如何提升半导体材料的光催化效率成为该研究领域的热点问题。近年来发展起来的超薄二维纳米材料因其独特的电子与结构优势受到了研究者的广泛关注,为实现高效的光催化反应带来了巨大契机。本论文旨在以超薄二维纳米材料为基础建立研究模型,通过调控材料的电子结构和分析光催化反应中的关键影响因素,设计和开发具有高效光催化性能的半导体材料,为它们在能源转换领域的实际应用开辟了道路。本论文的主要内容包括以下几个方面:1.元素掺杂是一种修饰材料电子结构并提高光催化性能的有效途径。虽然最近有很多关于元素掺杂的报道,但掺杂原子在光催化过程中所扮演的角色并不清楚,在很大程度上限制了元素掺杂的进一步发展。为此,我们首次合成了具有超薄结构的氧掺杂-ZnIn2S_4纳米片光催化剂,并将其作为原型材料建立结构与性能之间的关系,研究掺杂原子在光催化过程中的重要作用。在本章工作中,我们首先建立了 DFT模型来研究掺杂剂对催化剂电子结构的影响,理论计算表明氧掺杂能明显增加ZnIn2S_4纳米片价带顶附近的电荷密度,这一特征有利于产生更多的电荷直接参加反应,提高光催化产氢的能力。通过超快光谱测试我们进一步发现,氧掺杂可以有效地提高催化中光生电子与空穴的分离效率,其光生载流子的平均寿命提高了 1.53倍。光催化测试结果表明,氧掺杂的超薄ZnIn2S_4纳米片具有比未掺杂样品更高的光催化产氢活性,其产氢速率达到2120 μmol·h~(-1)·g~(-1),为后者的4.5倍。2.在本章工作中,我们提出了一种Ag纳米颗粒负载的方法来促进光生电荷转移,并以Ag-K_4Nb_6O_(17)杂化体系为催化模型深入理解Ag纳米颗粒在光催化反应中的重要作用。超快吸收光谱证明Ag纳米颗粒能捕获光生电子,提高光生载流子的迁移速率,促进光催化体系中光生电子与空穴的有效分离。光催化性能测试表明,Ag纳米颗粒的负载能显著提高超薄K_4Nb_6O_(17)纳米片的光催化活性,其模拟太阳光照射下的产氢速率相对于单一的K_4Nb_6O_(17)纳米片提升了近20倍;可见光照射下的光催化产氢测试证明,Ag-K_4Nb_6O_(17)复合体系中不存在由Ag纳米颗粒向超薄K_4Nb_6O_(17)纳米片的热电子注入。进一步的光催化对比实验显示,杂化体系能大幅提高产氢活性的主要因素不仅仅是Ag纳米颗粒能促进体系中电荷迁移,也包括Ag纳米颗粒自身的表面等离子效应所带来的附加电磁场。本章工作不仅为高效光催化剂的合成提供了一种简单可靠的途径,也为理解贵金属在光催化反应中的重要作用提供了新思路。3.结构扭曲能显著地改变半导体材料的电子结构,引起光催化材料光吸收和能带结构的调整,从而影响其光催化性能。本章工作中,我们提出了一种快速加热的方法成功地在g-C_3N_4样品中引入结构扭曲,此方法相对于传统的热处理法更加简单、快速。X射线吸收精细谱测试表明,改变快速加热的温度可以有效调节样品中结构扭曲的程度,并且随温度提升其扭曲程度逐渐增加。电子顺磁共振谱表明,结构扭曲的引入能引起g-C_3N_4样品的电子重排,这一点能有效降低g-C_3N_4样品的带隙宽度,拓宽光吸收范围。光催化产氢测试表明,结构扭曲的引入能显著提高g-C_3N_4的光催化活性,在太阳光照射下,g-C_3N_4-700样品的产氢速率可达255.0μmol·h~(-1),其性能相对于原始g-C_3N_4样品提升了 3倍。此外,由于具有合适的光吸收和能带结构排列,g-C_3N_4-700样品显示出最高的产氢活性,表明适度的结构扭曲对实现光催化性能的最优化非常重要。本工作不仅为理解结构扭曲在光催化反应中的作用建立了定量关系,也为提高材料的光催化活性提供了一条简单、可行的有效途径。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 陆必志,陈振兴,黄巧萍,周涛;纳米片状铝粉的制备及其发展动态[J];材料与冶金学报;2004年01期

2 陆必志,陈振兴,黄巧萍,刘辉;纳米片状铝粉的制备及其发展动态[J];粉末冶金工业;2004年02期

3 曾乐勇;王维彪;梁静秋;夏玉学;雷达;赵海峰;;碳纤维衬底上定向碳纳米片阵列的制备[J];功能材料与器件学报;2008年03期

4 母建林;刘颖;王辉;叶金文;文晓刚;谷林;;微波法合成金纳米片[J];化工新型材料;2010年07期

5 高凌云;;单原子层纳米片新技术[J];现代物理知识;2011年02期

6 唐春娟;杨慧琴;张永胜;苏剑峰;;铋纳米线和纳米片的制备[J];材料研究学报;2011年03期

7 龙丽珍;谢亚;黄小林;刘新利;王世良;贺跃辉;赵中伟;;氧化铝纳米片的气相合成及其力学性能[J];粉末冶金材料科学与工程;2011年06期

8 任兰正;王金秀;孙开莲;;羟基离子液体中单晶金纳米片的制备与表征(英文)[J];材料科学与工程学报;2012年03期

9 高烨;王晓菊;边江鱼;;氢氧化镁纳米片的合成及其润滑性能的研究[J];分子科学学报;2012年04期

10 莫博;阚彩侠;柯善林;从博;徐丽红;;银纳米片的研究进展[J];物理化学学报;2012年11期

相关会议论文 前10条

1 杨晓华;杨化桂;李春忠;;{001}晶面主导的锐钛二氧化钛纳米片的热稳定性研究[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年

2 杨晓晶;;无机纳米片的制备和再配列的进展[A];中国化学会第26届学术年会无机与配位化学分会场论文集[C];2008年

3 刘德宇;叶泽中;林海昕;任斌;田中群;;铜纳米片及其复杂合金纳米结构的合成及应用[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年

4 张东阳;丁书江;Xiong Wen(David)Lou;;二硫化钼纳米片复合材料的制备及其锂离子存储性能[A];中国化学会第28届学术年会第5分会场摘要集[C];2012年

5 虞梦娜;杜祝祝;林进义;解令海;黄维;;萘酰亚胺基有机纳米片的二维生长和纳米复合[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第33分会：纳米材料合成与组装[C];2014年

6 崔聪颖;成英文;李文静;邱翠翠;马厚义;;金纳米片的刻蚀过程及其腐蚀机理[A];2010年全国腐蚀电化学及测试方法学术会议摘要集[C];2010年

7 张桥;;银纳米片的胶体合成[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第26分会：胶体与界面[C];2014年

8 陈圆;丁欢欢;刘天晴;;层状液晶中金属纳米片的制备[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第26分会：胶体与界面[C];2014年

9 杨海丽;刘益江;周鹏;王启光;梁福鑫;杨振忠;;响应性聚合物/无机复合Janus纳米片的制备及其性能研究[A];2013年全国高分子学术论文报告会论文摘要集——主题J：高分子复合体系[C];2013年

10 陈小兰;师赛鸽;黄艺专;陈美;汤少恒;莫世广;郑南峰;;不同表面修饰对钯纳米片活体行为的影响[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第05分会：无机化学[C];2014年

相关重要报纸文章 前2条

1 记者 刘霞;科学家利用超薄沸石纳米片造出高效催化剂[N];科技日报;2012年

2 冯卫东;新型透明塑料薄如纸硬如钢[N];科技日报;2007年

相关博士学位论文 前10条

1 蒋金刚;层状分子筛的层间修饰与结构解析[D];华东师范大学;2015年

2 郭琬;铋系氧酸盐的形貌调控及其光催化性能研究[D];东北师范大学;2015年

3 张文东;BiOBr和C_3N_4的制备、表征及可见光催化氧化罗丹明B性能研究[D];重庆大学;2015年

4 尹莉;氧化钨纳米片与石墨烯基多级复合纳米材料的构筑与气敏性能研究[D];郑州大学;2015年

5 李秀万;氧化锰电极的纳米结构设计、制备及其储锂性能研究[D];兰州大学;2015年

6 刘飞;氮化硼基纳米材料与薄膜的催化剂辅助生长及其性能研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

7 李蓓蓓;富含{001}晶面二氧化钛光催化剂的可控制备及性能研究[D];大连理工大学;2015年

8 朱金保;3d过渡金属氧化物超薄纳米片的合成及其储能性质研究[D];中国科学技术大学;2013年

9 钱红梅;金属、半导体纳米片的调控合成、组装及光电性能研究[D];北京理工大学;2015年

10 胡晨晖;基于层状铌酸钾和α-磷酸锆的光降解和烯烃环氧化催化剂研究[D];南京大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 李涛;基于氧化钨纳米片多级复合纳米结构的制备与光催化性能研究[D];郑州大学;2012年

2 邹浩琳;功能化石墨烯与二硫化钼纳米片的制备及其在电化学传感器中的应用[D];西南大学;2015年

3 李帮林;二维与零维二硫化钼纳米材料的制备及生物传感应用研究[D];西南大学;2015年

4 胡连仁;二硫化钼（MoS_2）基复合纳米材料的制备及其电化学储锂性能研究[D];郑州大学;2015年

5 王楠;超临界二氧化碳辅助构筑的乳液环境中制备二维层状材料及其功能化应用研究[D];郑州大学;2015年

6 韩美胜;球磨法制备六方氮化硼纳米片的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

7 吴敢敢;石墨烯（石墨纳米片）/环氧树脂船用涂料防腐性能的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

8 邹志娟;共轭分子/二氧化钛复合材料的结构设计与催化性质[D];哈尔滨工业大学;2015年

9 何亚飞;二维纳米钼化合物及其功能复合材料的制备与性能研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

10 孙亚健;二维层状Ti_3C_2纳米片的液相剥离及在LIBs中的充放电特性[D];哈尔滨工业大学;2015年

，

本文编号：1632054