Cu_2O基纳米异质结的制备及光催化、光电和气敏性能

发布时间：2017-04-26 20:12

  本文关键词：Cu_2O基纳米异质结的制备及光催化、光电和气敏性能，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：氧化亚铜(Cu2O)是一种直接带隙p型半导体,因其具有较窄的禁带宽度(~2.1 eV)而在光催化降解、太阳能电池、气敏传感器等方面有着很好的应用前景,但其在使用过程中还存在有稳定性差等问题。氧化锌(ZnO)是一种直接带隙n型半导体,其禁带宽度为~3.3 eV,具有很高的电子迁移率(100cm2/V.s)且可以制备出形貌多样的纳米结构,其应用更为广泛。但是ZnO应用在光催化和太阳能领域存在对太阳光的吸收效率低的问题。以Cu2O材料为基,研究其制备方法,并将其与Zn O材料或是金属(Cu)材料与之形成纳米尺度的异质结构材料,以期克服其单体材料的缺点而获得更好的光催化、光电化学和气体敏感性能。通过低温水热合成法、化学浴沉积法、电化学沉积法和微波水热法等合成手段的应用,制备出了形貌结构可调控的具有纳米异质结构的半导体薄膜材料和空心球粉体材料,并系统分析了其性能,其结果分列如下:采用一种简便的低温水热法,在无模板的条件下,以ITO玻璃为基底制备了ZnO纳米棒阵列薄膜。研究了水热时间以及基底对ZnO纳米棒形貌的影响,分析了ZnO纳米棒阵列的生长机制。在无籽晶层的ITO玻璃上生长的ZnO纳米棒直径较大,大约为500 nm,其排列不规整。在有籽晶层的ITO玻璃上生长的ZnO纳米棒直径较小,大约为100 nm,其排列规整。生长过程中锌片参与到反应中对ZnO纳米棒的生长在初期有促进作用。在不同基底上生长的纳米棒均呈现六棱柱状,且具有良好的单晶结构。以Cu(NO3)2·3H2O的DMSO溶液为电解液,以ZnO纳米棒阵列薄膜为工作电极,采用恒电位沉积法制备出Cu2O/ZnO异质结纳米棒阵列薄膜。Cu2O以量子点(纳米颗粒)形式附着在ZnO纳米棒表面,通过改变电沉积时间可调控Cu2O量子点的数量,从而对整个材料的形貌产生影响。研究了不同电沉积时间的试样对甲基橙(MO)的光催化降解性能。与纯的Cu2O和ZnO相比较,基于Cu2O/ZnO异质结纳米棒阵列对甲基橙的光催化性能有了很大的提高。电沉积时间为20 min时所得到的Cu2O/ZnO异质结纳米棒阵列对甲基橙的光催化效率最高,其在室温可见光照射下对甲基橙的光催化降解速率可达1.96 mg h-1 cm2。其优异的光催化性能,源于其较好的光吸收结构、较大的比表面以及异质界面形成的有效的电荷分离转移机制。Cu2O/ZnO异质结纳米棒阵列的光催化降解循环稳定性随着量子点沉积量的增大而减小。采用化学浴沉积法,在ZnO纳米棒阵列上沉积,制备了Cu2O/ZnO异质结纳米棒阵列薄膜。研究了化学浴循环次数对产物形貌的影响,分析了Cu2O/ZnO异质结纳米棒阵列的形成机制,研究了材料的光电化学性能。结果显示Cu2O以量子点的形式附着在ZnO纳米棒表面,随着化学浴循序次数的增加Cu2O量子点的尺寸和数量不断增加。当化学浴循环次数为10次时,所得Cu2O/ZnO异质结纳米棒表面Cu2O覆盖均匀,以其作为光阳极装配量子点敏化太阳电池也表现出最佳的光电转换性能,其在标准太阳光(AM1.5)照射下光电转换效率可达1.17%。进一步,为改善电池光电化学稳定性,采用热处理的方式在Cu2O量子点表面生成了一层CuO的保护层,其光电化学稳定得到了提高,但是其光电转换效率初始值有稍许下降,以化学浴循环次数10次的电极为例,其光电转换效率由1.17%下降到1.10%。采用微波水热法,以醋酸铜和抗坏血酸作为反应物,在100℃下制备了多孔Cu/Cu2O纳米异质结空心球材料。研究了水热时间对产物物相形貌的影响,分析了空心球形成机制;研究了材料的光催化和气敏性能,对其光催化性能和气敏性能的增强机制进行了探讨。随着水热时间的增长空心球中Cu含量逐渐增加,球体也由实心逐渐转变为空心,水热时间持续增长,空心球的壁厚不断变薄,直到最后空心球发生破裂形成纳米颗粒。形成的多孔Cu/Cu2O空心球其壳层由尺寸在10~50 nm之间的纳米颗粒组成,空心球的尺寸为亚微米级别,在100~500 nm之间。空心球的形成主要归功于奥斯瓦尔德熟化机制。在水热30 min时所得空心球对甲基橙在室温可见光照射的条件下具有很好的光催化降解性能,其降解速率可达9.21 mg min-1 g-1。同时,多孔Cu/Cu2O空心球对NO2气体在室温下具有较好的气体敏感性能。在水热30 min时所得空心球,由于其具较大的比表面积,多孔的薄壳层和金属/半导体异质结构等特点,使其具有比其他空心球更为优异的光催化和气敏性能,其在室温下对浓度为10 ppm的NO2气体的感应灵敏度可达6.27,相应时间则为21 s,且经过15天后仍具有很好的响应。
【关键词】：Cu2O ZnO 纳米阵列 异质结 量子点 空心球 光催化 光电化学 气敏
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ131.21;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 论文的主要创新与贡献9-12
• 第1章 绪论12-34
• 1.1 引言12-13
• 1.2 氧化亚铜（Cu_2O）纳米材料13-22
• 1.2.1 Cu_2O的基本特性13-14
• 1.2.2 Cu_2O纳米材料的制备方法14-20
• 1.2.3 Cu_2O纳米材料的应用20-22
• 1.3 一维氧化锌（ZnO）纳米材料22-32
• 1.3.1 ZnO的基本性质23-24
• 1.3.2 一维ZnO纳米材料的制备方法24-29
• 1.3.3 一维ZnO纳米材料的应用29-32
• 1.4 选题依据及意义32-33
• 1.5 本文的主要研究内容33-34
• 第2章 实验及表征测试34-44
• 2.1 引言34
• 2.2 原料和设备34-36
• 2.2.1 实验原料34-35
• 2.2.2 实验设备35-36
• 2.3 表征测试和仪器36-44
• 第3章 低温水热法制备ZnO纳米棒阵列薄膜44-52
• 3.1 引言44
• 3.2 实验过程44-45
• 3.3 结果与讨论45-51
• 3.3.1 ZnO纳米棒阵列的结构45-48
• 3.3.2 ZnO纳米棒阵列的生长机制48-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 电化学沉积法制备Cu_2O/ZnO异质结纳米棒阵列及其光催化性能52-64
• 4.1 引言52-53
• 4.2 实验过程53
• 4.3 结果与讨论53-62
• 4.3.1 Cu_2O/ZnO异质纳米棒阵列薄膜的结构53-58
• 4.3.2 Cu_2O/ZnO异质纳米棒阵列薄膜的性能58-61
• 4.3.3 Cu_2O/ZnO异质纳米棒阵列薄膜的光催化增强机制61-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第5章 化学浴沉积法制备Cu_2O/ZnO异质结纳米棒阵列及其光电化学性能64-78
• 5.1 引言64-65
• 5.2 实验过程65-66
• 5.2.1 Cu_2O/ZnO异质结纳米棒阵列的制备65
• 5.2.2 Cu_2O/ZnO异质结纳米棒阵列的性能测试65-66
• 5.3 结果与讨论66-76
• 5.3.1 Cu_2O/ZnO异质结纳米棒阵列的形貌及结构66-69
• 5.3.2 形成Cu_2O量子点的化学反应及机理69
• 5.3.3 Cu_2O/ZnO异质结纳米棒阵列的性能测试69-74
• 5.3.4 Cu_2O/ZnO异质结纳米棒阵列的CuO保护层74-76
• 5.4 本章小结76-78
• 第6章 微波水热法制备Cu/Cu_2O异质结空心球及其光催化和气敏性能78-96
• 6.1 引言78-79
• 6.2 实验过程79-80
• 6.2.1 Cu/Cu_2O异质结亚微米空心球的制备79
• 6.2.2 Cu/Cu_2O异质结空心球的表征和性能测试79-80
• 6.3 结果与讨论80-94
• 6.3.1 Cu/Cu_2O异质结空心球的结构80-85
• 6.3.2 Cu/Cu_2O异质结空心球的形成机制85-86
• 6.3.3 Cu/Cu_2O纳米异质结空心球的性能86-94
• 6.4 本章小结94-96
• 主要结论与展望96-98
• 参考文献98-111
• 攻读博士学位期间发表的学术论文111-112
• 致谢112-113

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 ;Photocatalytic degradation of methyl orange over ITO/CdS/ZnO interface composite films[J];Journal of Environmental Sciences;2009年07期

2 朱俊武,陈海群,谢波,杨绪杰,陆路德,汪信;纳米Cu_2O的制备及其对高氯酸铵热分解的催化性能[J];催化学报;2004年08期

3 汪学军,楼涛;光化学降解溶解有机物及其对生物过程的影响(英文)[J];感光科学与光化学;2004年04期

  本文关键词：Cu_2O基纳米异质结的制备及光催化、光电和气敏性能，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：329144