寬窄帶隙半導(dǎo)體環(huán)境凈化光催化劑的設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、光催化是一種能直接利用自然界中的太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)污染物催化凈化的高級(jí)氧化技術(shù)。光催化劑的性能是決定該技術(shù)的主控因素。因此，如何設(shè)計(jì)、合成和優(yōu)化高性能光催化劑是該領(lǐng)域的重要科學(xué)問(wèn)題。半導(dǎo)體光催化劑按帶隙寬度可以分為不能直接吸收可見(jiàn)光的寬帶隙光催化劑以及能直接吸收可見(jiàn)光的窄帶隙催化劑兩大類。大部分寬帶隙催化劑安全、廉價(jià)、穩(wěn)定，但存在無(wú)可見(jiàn)光吸收和量子效率低等問(wèn)題。而窄帶隙光催化劑雖然可以吸收可見(jiàn)光，但存在嚴(yán)重的電子空穴復(fù)合問(wèn)題。本論文針對(duì)兩類光催

2、化劑的上述問(wèn)題，以典型的寬帶隙光催化劑二氧化鈦(TiO2)和窄帶隙光催化劑硫化鉍(Bi2S3)為對(duì)象，開(kāi)展催化劑的設(shè)計(jì)、制備與優(yōu)化、反應(yīng)過(guò)程機(jī)理解析和污染物凈化應(yīng)用效果評(píng)價(jià)等研究工作，研發(fā)新型高效的半導(dǎo)體納米光催化劑，建立實(shí)現(xiàn)寬帶隙催化劑良好可見(jiàn)光響應(yīng)和強(qiáng)化光催化性能的有效手段，發(fā)展提高窄帶隙光催化電子空穴分離效率的新策略，進(jìn)而提高光催化劑的適用范圍和催化效率，為其實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。論文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　

3、1.提升TiO2單晶可見(jiàn)光響應(yīng)的通用摻雜新方法。摻雜改性的TiO2在能源和環(huán)境領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，但結(jié)晶性好、形態(tài)規(guī)則晶格缺陷少的暴露{001}晶面的TiO2單晶很難實(shí)現(xiàn)異質(zhì)元素的摻雜。以廢棄的電解液為原料，以六種具有代表性三類異質(zhì)元素（金屬元素、非金屬元素和稀土金屬元素）為摻雜對(duì)象，發(fā)展了一種綠色的各類異質(zhì)元素均可以實(shí)現(xiàn)摻雜的通用方法。結(jié)果表明，此方法能夠?qū)愘|(zhì)元素?fù)诫s進(jìn)入TiO2單晶中，而不明顯破環(huán)TiO2單晶的形貌;在異質(zhì)元素

4、摻雜之后，TiO2單晶的電化學(xué)和光化學(xué)性能都有了明顯的提高。該摻雜方法的建立對(duì)于拓展TiO2單晶的應(yīng)用潛力具有重要意義。
　　2.介晶結(jié)構(gòu)和高能晶面暴露TiO2微米棒的制備新方法。TiO2的晶面暴露、結(jié)晶性以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)均對(duì)TiO2的電子空穴分離效率和光催化性能有顯著影響。利用陽(yáng)極氧化和煅燒結(jié)合的方法在碳片表而制備了新穎的六角形TiO2微米棒介晶結(jié)構(gòu)。此微米棒是以一種以中間體支架為支撐，通過(guò)填充中間體空間內(nèi)的TiO2單晶小顆粒定向自

5、組裝形成。研究結(jié)果顯示這種六角形微米棒介晶不僅具有良好的光催化潛力，同時(shí)展現(xiàn)了介孔單晶材料應(yīng)用于電催化材料的良好潛力。該工作對(duì)于TiO2新型結(jié)構(gòu)的組裝設(shè)計(jì)提供了良好的借鑒。
　　3.Ag/TiO2特殊結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)可見(jiàn)光響應(yīng)性和光催化效率的提升。利用金屬的等離子共振效應(yīng)能夠增強(qiáng)TiO2的可見(jiàn)光響應(yīng)和光催化性能。通過(guò)油相合成的手段以及光還原的方法調(diào)控合成了選擇性生長(zhǎng)的單個(gè)銀納米顆粒和TiO2特殊結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)材料。光還原過(guò)程的反應(yīng)機(jī)理遵循

6、金屬納米顆粒生長(zhǎng)的熟化規(guī)律。該材料在還原染料亞甲基藍(lán)和產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)中均展現(xiàn)了良好的光催化能力。調(diào)控單個(gè)銀納米顆粒的生長(zhǎng)位置、TiO2基底的形貌和富電子能力均可提高其光催化活性。該工作為TiO2相關(guān)異質(zhì)結(jié)材料的設(shè)計(jì)和合成提供了新的思路。
　　4.Pd4S/Bi2S3納米棒異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備和光催化性能。硫化四鈀(Pd4S)通常是金屬鈀催化劑中毒后的副產(chǎn)物，其催化性能極少被關(guān)注。通過(guò)原位熱還原的方法合成了Pd4S，使之均勻分布于Bi2S

7、3納米棒上形成新穎的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。Bi2S3納米棒在該過(guò)程中不僅作為合成基底，還是硫源的部分提供者。Pd4S納米顆粒強(qiáng)化了Bi2S3光生電子的轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所制得的異質(zhì)結(jié)催化劑在難降解污染物阿特拉津的光催化降解中展現(xiàn)了優(yōu)異性能。該工作拓寬了新型催化劑Pd4S的應(yīng)用思路，為其他相關(guān)異質(zhì)結(jié)材料的設(shè)計(jì)和合成提供新的視角。
　　5.三維分級(jí)結(jié)構(gòu)MoS2/Bi2S3非貴金屬異質(zhì)結(jié)材料的制備和光催化性能。MoS2和Bi2S3一類的非貴金屬

8、硫化物均具有良好的可見(jiàn)光催化能力，但MoS2/Bi2S3異質(zhì)結(jié)的合成較為困難。采用一種獨(dú)特的水熱合成犧牲模板法一步合成了MoS2/Bi2S3三維花狀分級(jí)結(jié)構(gòu)。在該過(guò)程中Bi2S3通過(guò)離子交換過(guò)程被消耗，而MoS2則以Bi2S3為生長(zhǎng)基底實(shí)現(xiàn)從單層到多層的生長(zhǎng)。所制得的異質(zhì)結(jié)材料具有良好的親水性、電子空穴分離能力和吸附性能，助催化劑MoS2與Bi2S3存在光催化協(xié)同作用，并具備對(duì)微量污染物的可見(jiàn)光催化降解能力。該工作為其他相關(guān)異質(zhì)結(jié)光催化