硫族金属化合物微纳结构的可控合成及其在光学和光催化方面的应用

发布时间：2017-04-08 14:17

  本文关键词：硫族金属化合物微纳结构的可控合成及其在光学和光催化方面的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：硫族化合物半导体材料处于微纳尺寸时能表现出独特的物理和化学性能,因此受到了极大的关注。本文主要介绍新型结构硫族化合物的合成,尤其是硫化物及其复合物特性、生长机制和自然光驱动的光催化特性。表征方法有SEM,FESEM,XRD,EDX,XPS,TEM,HRTEM,SAED。研究表明通过合理调节实验条件可以有效调控新型异质结构复合硫化物半导体材料(BiOCl/Bi2S3),该结构能提高光催化效率。首先研究合成以纳米片为基础的纯铜蓝相CuS的分层微球。实验方法是PVP辅助溶剂热法,通过改变PVP的量来优化反应条件,从而得到独特地分层结构的空心微球。CuS空心结构的禁带宽度是~1.97 eV。相较于其他结构的CuS,这种介孔结构材料在自然光下对降解有机燃料(甲基蓝)表现出优异的光催化活性。同时这种光催化剂具有超强的循环使用能力,在6次循环之后仍有96.5%的有机染料降解能力。该研究成功开发出来用于合成独特结构空心微球的方法,它属于“自下而上”的组装方法,它为了解独特复杂结构对潜在应用方面的意义提供了很好的机会。在上述实验方法的基础上,进一步合成了许多结构清晰,高度对称,超复杂和分层体系结构的铜蓝相CuS,研究各种参数对合成分层结构硫化铜的影响,并阐述可能形成的机理。研究发现曝光时间是控制CuS的体系结构一个关键因素,在较长的反应时间下容易形成高度复杂的结构。在可见光范围内,这种结构对添加有双氧水的亚甲蓝、罗丹明B及其混合液都具有很强的光催化能力。这种高效的光催化活性归因于CuS分层结构的精细控制。总体而言,这项研究在“自下而上”组装高度复杂硫化铜纳米片方面具有重要作用,为了解非典型结构的根本意义提供了很好的机会。接着以硫酸铜和硫脲的水溶液为前驱体,加入柠檬酸,通过一锅法超声化学过程,将超薄铜蓝CuS纳米片组装成层次化的微花结构。大尺寸结构部分是同质材料,是由纯六方硫化铜单晶纳米片组成,厚度是20nm。该结构具有较高的表面积,并且通过氮气吸附等温线测试得到它有双孔径分布。另外从控制时间变化的实验中可以得到形成CuS层次化结构的机理。最重要的一点,层次化结构的CuS是一种高效多功能可循环的光催化剂,在双氧水的辅助下利用自然光能降解高度浓缩的染料水溶液,如甲基蓝溶液,罗丹明B及其混合液,在废水纯化方面具有很好的应用前景。综上,本文介绍BiOCl/Bi2S3能通过非常简便可控的溶剂热方法合成较大尺寸的新颖复合结构,并阐述了生长机理。利用X射线衍射,透射电镜,元素分布能谱,紫外吸收光谱表征样品的结构、形貌和光学特性。在可见光范围内,BiOCl/Bi2S3复合结构比Bi2S3和BiOCl的独立结构在降解甲基橙水溶液方面具有更高的光催化活性。增强的光催化活性归因于Bi2S3和BiOCl复合结构的生成,因为复合结构能有效分离电子-空穴对,抑制复合过程。
【关键词】：硫族化合物 半导体 光催化剂 光学性能 复合结构 光响应
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ125.1;O643.36
【目录】：

• Abstract8-11
• 摘要11-13
• List of Symbols and Abbreviations13-26
• Chapter 1 Introduction and Background26-45
• 1.1 Chalcogenides26-27
• 1.2 Fabrication Techniques adopted for Nanoscale Synthesis27-33
• 1.2.1 Hydrothermal and Solvothermal methods27-30
• 1.2.2 Sonochemical method30-31
• 1.2.3 Template directed method31-33
• 1.3 Techniques Employed for Characterizing Nanomaterials33-34
• 1.4 Applications of metal chalcogenides34-37
• 1.4.1 Photocatalysis35-37
• 1.5 Motivation37-38
• 1.6 Covellite (Cu S)38-40
• 1.7 BiOCl/Bi_2S_3 heterostructure composite40-42
• 1.8 Scope of the Thesis42-43
• 1.9 Thesis Organization and Significance43-45
• Chapter 2 Template Free Synthesis of Cu S Nanosheets-based Hierarchical Microspheres: AnEfficient Natural Light Driven Photocatalyst45-70
• 2.1 Introduction46-48
• 2.2 Experimental Details48-50
• 2.2.1 Sample preparation48-49
• 2.2.2 Characterization49
• 2.2.3 Photocatalytic activity evaluation49-50
• 2.3 Results and discussion50-69
• 2.3.1 Structural and morphological evaluation50-55
• 2.3.2 Effect of solvent55-57
• 2.3.3 Effect of sulfur and Cu2+ sources57-59
• 2.3.4 Effect of PVP and formation of NSHMS59-62
• 2.3.5 Optical properties and BET surface area62-64
• 2.3.6 Photocatalytic properties64-69
• 2.4 Conclusions69-70
• Chapter 3 Effect of morphologies of Cu S upon the photo-catalytic degradation of organic dyes70-102
• 3.1 Introduction71-73
• 3.2 Experimental73-75
• 3.2.1 Sample preparation73-74
• 3.2.2 Characterization74
• 3.2.3 Photocatalytic activity evaluation74-75
• 3.3 Results and discussion75-101
• 3.3.1 Structural and morphological evaluation75-80
• 3.3.2 Effect of reaction duration and formation of SCCO of Cu S80-86
• 3.3.3 Optical properties and BET surface area86-89
• 3.3.4 Photocatalytic properties89-101
• 3.4 Conclusions101-102
• Chapter 4 Synthesis of Cu S flowers exhibiting versatile photo-catalyst response102-133
• 4.1 Introduction103-105
• 4.2 Experimental105-108
• 4.2.1 Sample preparation105
• 4.2.2 Characterization105-106
• 4.2.3 Photocatalytic activity evaluation106-107
• 4.2.4 Photoelectrochemical measurements107-108
• 4.3 Results and discussion108-132
• 4.3.1 Structural and morphological characterization108-113
• 4.3.2 Plausible formation of hierarchical microflowers of Cu S113-119
• 4.3.3 Optical properties and BET surface area119-121
• 4.3.4 Photo-catalytic properties121-132
• 4.4 Conclusions132-133
• Chapter 5 Novel architectures of Bi OCl/Bi_2S_3 heterostructures displaying enhancedphotocatalyst response133-161
• 5.1 Introduction134-136
• 5.2 Experimental Details136-138
• 5.2.1 Sample preparation136-137
• 5.2.2 Characterization137
• 5.2.3 Photocatalytic activity evaluation137-138
• 5.3 Results and discussion138-160
• 5.3.1 Structural and morphological evaluation138-144
• 5.3.2 Formation of novel architectures of Bi OCl/Bi2S3 heterostructures144-151
• 5.3.3 Optical Properties151-152
• 5.3.4 Band gap position calculation of Bi OCl and Bi_2S_3152-153
• 5.3.5 Photo-catalytic properties153-158
• 5.3.6 Possible photocatalytic mechanism158-160
• 5.4 Conclusions160-161
• Chapter 6 Conclusions and Future Perspectives161-169
• 6.1 Outlook161-162
• 6.2 Conclusions162-165
• 6.3 Innovative Features of Current Research165-166
• 6.4 Future Work Recommendations166-169
• References169-192
• Acknowledgement192-194
• List of Published & Accepted Papers194-200

【共引文献】

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 李拴魁;SnS及SnS/C复合纳米结构的可控制备与应用[D];兰州大学;2014年

2 徐海明;分级结构硒化铋的合成及其电输运性能研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

3 宋长青;Cu_2S和VS_2纳米结构制备及性能研究[D];华东师范大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 殷航;PbTe及Ag_nPb_mM_nTe_(m+2n)(M=Sb,Bi,La)热电材料的液相合成及其机理研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

2 周蕾;硫化铜微米花状结构材料的合成及其光催化性能的研究[D];复旦大学;2013年

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本文编号：293035