碳化硅纳米复合材料的制备及其在光催化中的应用

发布时间：2017-04-18 19:10

  本文关键词：碳化硅纳米复合材料的制备及其在光催化中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳化硅是碳-硅键合的Ⅳ-Ⅳ族半导体,具有优异的物理性质,已被广泛应用于制造高温、高压和高频等极端条件下的半导体器件。此外,由于碳化硅具有非常高的化学惰性,因此常被用于催化和催化剂的载体。本文选择立方相碳化硅(3C-SiC)作为主要研究对象,设计、制备了具有高催化活性的与3C-SiC相关的新型复合光催化材料,并对其纳米结构及复合物的催化性能进行了深入、系统的研究,获得的主要结果如下：1、以微米级商用大颗粒3C-SiC为前驱物,使用硝酸与氢氟酸对其进行化学腐蚀并超声剥离,制备出平均粒径在2-7nm之间的近圆形3C-SiC纳米颗粒。这些纳米颗粒具有良好的发光性质,发光峰位在400-600 nm范围,且随激发波长增大而红移。根据傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等谱学检测手段对3C-SiC纳米颗粒进行分析研究,发现所制备的SiC纳米颗粒表面有大量的Si-OH键。理论计算和实验均表明,这是由于3C-SiC在纳米尺度时,颗粒表面的Si-Si二聚物能够有效地解离水分子,形成Si终端的Si-H和Si-OH键,这些-OH键捕获光生空穴后,能够形成具有高氧化活性的羟基自由基(OH·),从而提高复合反应体系的降解能力。2、TiO2半导体材料具有很高的催化活性,并且相对廉价,无毒无害,化学稳定性高,是一种理想的光催化材料。但由于TiO2能隙较大(锐钛矿相约3.2eV),只有约占太阳光5%的紫外光部分才能激发,光响应范围较窄,限制了其实际应用。我们通过改进相关实验方法,在阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列中均匀地涂覆上3C-SiC纳米颗粒,经过退火后,制备出3C-SiC与TiO2复合材料。复合材料的降解效率明显高于单纯的TiO2纳米管阵列,通过对比实验研究,我们认为除3C-SiC与TiO2之间良好的能带匹配外,在SiC与TiO2之间还形成了大量的p-n结,这些p-n结能够有效地分离光生电子和空穴,而且复合物中3C-SiC纳米颗粒的自催化性能也能够提供更多的-OH,从而提高光催化活性。3、ZnS是宽禁带、具有多种晶体形态的直接带隙半导体,在光电以及催化等方面有重要的应用。我们利用3C-SiC与ZnS的能带特点,设计并制备了3C-SiC/ZnS复合光催化材料,有效地拓展ZnS的光响应范围,增强其光催化活性。我们研究了ZnS与3C-SiC的自组装生长行为,并提出了其生长模型和机理,由于化学腐蚀法制备的3C-SiC纳米颗粒表面具有丰富的化学基团,这些基团能够与L-半胱氨酸的硫醇键和Zn2+所生成的络合物(Cys/Zn)结合,在随后的水热过程中,生长成为ZnS与SiC纳米复合物。光电化学测试显示,ZnS为n型,而3C-SiC为p型,因此两者的密切接触形成了p-n结,能够有效驱动光生电子和空穴的分离。3C-SiC/ZnS复合材料与单纯的ZnS相比,其光催化活性大大提高。本方法材料制备方便,能耗低,可以推广到其它3C-SiC基复合催化材料的生长。
【关键词】：3C-SiC纳米颗粒 TiO_2纳米管阵列 ZnS纳米球 光催化 纳米复合物
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33;O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-41
• 1.1 引言11-12
• 1.2 光催化原理及研究现状12-20
• 1.2.1 半导体光催化原理12-15
• 1.2.2 光催化材料的应用15-16
• 1.2.3 提高光催化材料活性的途径16-20
• 1.3 碳化硅的基本性质及研究现状20-30
• 1.3.1 碳化硅的基本性质20-23
• 1.3.2 纳米碳化硅的制备23-27
• 1.3.3 纳米碳化硅研究现状27-30
• 1.4 本论文的出发点和主要研究内容30-31
• 参考文献31-41
• 第二章 3C-SiC纳米颗粒的制备及表征41-57
• 2.1 引言41-43
• 2.2 3C-SiC纳米颗粒的制备43-44
• 2.3 3C-SiC纳米颗粒的谱学表征44-51
• 2.4 3C-SiC纳米颗粒光致发光谱的理论分析51-52
• 2.5 本章小结52
• 参考文献52-57
• 第三章 3C-SiC纳米晶增强TiO_2纳米管阵列光催化活性57-81
• 3.1 引言57-65
• 3.1.1 TiO_2基本性质57-58
• 3.1.2 阳极氧化纳米管阵列的制备原理58-62
• 3.1.3 TiO_2纳米管阵列的应用62-64
• 3.1.4 TiO_2纳米管阵列的改性研究64-65
• 3.2 TiO_2纳米管阵列的制备65-66
• 3.3 TiO_2纳米管阵列复合3C-SiC纳米颗粒的制备66-67
• 3.4 样品分析与检测67-68
• 3.5 实验结果与分析68-72
• 3.6 3C-SiC纳米晶复合TiO_2纳米管阵列催化活性测试72-74
• 3.7 3C-SiC复合TiO_2纳米管阵列催化机理74-75
• 3.8 本章小结75-76
• 参考文献76-81
• 第四章 3C-SiC/ZnS纳米复合结构的制备及其催化活性研究81-100
• 4.1 引言81-85
• 4.1.1 ZnS基本性质81-82
• 4.1.2 硫化锌的应用82-84
• 4.1.3 ZnS催化改性现状84-85
• 4.2 3C-SiC/ZnS复合材料的制备85-86
• 4.3 纳米结构表征及生长机制研究86-92
• 4.4 复合不同量3C-SiC的ZnS光催化活性92-94
• 4.5 3C-SiC/ZnS复合材料的催化机理94-96
• 4.6 本章小结96
• 参考文献96-100
• 第五章 结论与展望100-103
• 5.1 结论100-101
• 5.2 展望101-103
• 致谢103-105
• 攻读博士学位期间发表的论文目录105-106

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