新型光催化劑的表界面調(diào)控及其光催化性能增強(qiáng).pdf

1、近年，半導(dǎo)體光催化作為一種綠色技術(shù)在解決環(huán)境問題和提供可再生能源方面獲得了廣泛的關(guān)注。半導(dǎo)體光催化基于以下過程發(fā)生：當(dāng)入射光的能量大于或等于半導(dǎo)體的帶隙能時受激電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，此時導(dǎo)帶獲得光生電子價帶留下光生空穴，緊接著光生載流子與半導(dǎo)體表面的底物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在這個過程中光生載流子間的復(fù)合始終不可避免，這將會導(dǎo)致光催化效率降低。因此，光生載流子的復(fù)合與轉(zhuǎn)移之間的競爭無疑是決定半導(dǎo)體的光催化行為最為重要的因素之一。另一方面，高

2、活性光催化劑通常要求半導(dǎo)體具備足夠的禁帶寬度。盡管寬帶隙半導(dǎo)體能夠滿足這些要求，然而寬帶隙半導(dǎo)體光響應(yīng)范圍的局限性卻又不可避免地限制了其全面有效地利用太陽光譜。目前，大量的研究工作集中在基于外來元素?fù)诫s的能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控以克服上述弊端。遺憾的是，外來元素?fù)诫s不但會給光催化體系帶來熱穩(wěn)定性問題，會在摻雜半導(dǎo)體中引入載流子的復(fù)合中心，而且還會影響母體半導(dǎo)體中光生載流子的氧化還原能力。因此，本論文旨在通過對半導(dǎo)體光催化劑進(jìn)行表界面調(diào)控，設(shè)計、制備

3、出高活性光催化劑，并對其光催化性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。
　　 1、尺寸和形貌可控的AgCl/Ag等離子光催化劑可通過一種快速微波非水液相合成策略獲得。通過合理調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度和微波輻射時間，我們研究了圓錐形AgCl/Ag等離子光催化劑的生長機(jī)制。AgCl/Ag表現(xiàn)出了貴金屬特有的表面等離子體共振吸收現(xiàn)象。該共振吸收與AgCl/Ag中兩組成的尺寸、形貌和比例密切相關(guān)。所制備的AgCl/Ag在室內(nèi)人工日光照射下顯示出優(yōu)良的光催化降解有機(jī)污染物

4、(如甲基橙，羅丹明B和五氯酚)活性和重復(fù)使用性能，甚至能在室內(nèi)彌散日光的照射下快速地徹底分解有機(jī)污染物。活性物種捕獲實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了AgCl/Ag等離子光催化劑系統(tǒng)的高催化活性來源于光生空穴的直接氧化。
　　 2、AgBr/Ag光催化劑同樣可以通過這種快速微波非水液相法合成得到。我們發(fā)現(xiàn)在AgBr/Ag的室內(nèi)日光光催化過程中，貴金屬不僅能作為可見光吸收和轉(zhuǎn)換中心，還能作為電子的產(chǎn)生源。Ag納米顆粒的等離子體光催化能夠與AgBr的

5、半導(dǎo)體光催化有效耦合，協(xié)同增強(qiáng)AgBr/Ag的室內(nèi)日光光催化活性。我們進(jìn)一步探究了AgBr/Ag的室內(nèi)日光光催化機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)日光照射下表面等離子體共振誘導(dǎo)的局域電場增強(qiáng)效應(yīng)可以有效加速在AgBr表面產(chǎn)生電子-空穴對，促使AgBr導(dǎo)帶獲得了更多可利用的電子。
　　 3、通過簡易一鍋非水液相合成策略制備了金屬等離子體表面修飾的自摻雜BiOCl光催化劑。這種原位自摻雜效應(yīng)能夠?qū)iOCl的光響應(yīng)范圍從紫外區(qū)拓展到可見光區(qū)，使其擁有

6、可見光光催化降解有機(jī)污染物的活性。更為重要的是，由于Ag納米顆粒在可見光區(qū)獨(dú)特的表面等離子體共振效應(yīng)，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)自摻雜BiOCl的光催化活性。光電流作用譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果剛好印證了這個過程的發(fā)生。
　　 4、利用低溫化學(xué)浴法構(gòu)筑了ZnO/BiOI異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其形貌、組成和光學(xué)性質(zhì)能夠通過調(diào)節(jié)Bi/Zn摩爾比實(shí)現(xiàn)合理調(diào)控。ZnO/BiOI異質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的可見光光催化降解甲基橙的活性。表面光電壓和瞬態(tài)光電壓測試結(jié)果證實(shí)了耦合ZnO形

7、成異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠有效改善BiOI的光生電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)，BiOI和ZnO界面問的異質(zhì)結(jié)能有效地降低電子-空穴的復(fù)合幾率和延長載流子的壽命。我們將ZnO/BiOI異質(zhì)結(jié)構(gòu)在可見光照射下的高催化活性歸結(jié)于其高比表面積和界面異質(zhì)結(jié)的形成。
　　 5、不同表面原子結(jié)構(gòu)的BiOCI單晶納米片能夠采用一種簡易的水熱合成法選擇性地獲得。通過合理控制反應(yīng)體系的氫離子濃度，我們可以很容易地操縱BiOCl的表面性質(zhì)。我們進(jìn)一步系統(tǒng)地比較了高比例{001}