環(huán)境污染和能源短缺問題提高了人們對(duì)潛在全球危機(jī)的認(rèn)識(shí),如何解決環(huán)境和能源問題越來越得到人們的關(guān)注。半導(dǎo)體光催化技術(shù)是一種“綠色”方法,有望在解決上述問題中發(fā)揮重要作用。TiO2以其低成本,高化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境友好性被廣泛應(yīng)用。但其比表面積低,帶隙較寬等缺點(diǎn)導(dǎo)致光響應(yīng)范圍窄、量子效率低、活性位點(diǎn)少,制約了 TiO2半導(dǎo)體的進(jìn)一步推廣。有效地收集太陽(yáng)光以產(chǎn)生長(zhǎng)壽命的電荷載體來抑制電子和空穴的復(fù)合對(duì)于光催化反應(yīng)是至關(guān)重要的。構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu),暴露高活性晶面以及改變晶體結(jié)構(gòu)可以有效提高光催化劑催化性能。本文主要研究的內(nèi)容與結(jié)果如下:(1)通過簡(jiǎn)單的兩步水熱法在石墨纖維上負(fù)載TiO2-MoS2核殼納米片,構(gòu)建三維石墨纖維@MoS2-TiO2雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化劑,并研究其光催化降解污染物性能。首先在石墨纖維表面垂直生長(zhǎng)暴露高活性(001)晶面的TiO2納米片,然后將超薄MoS2納米片均勻負(fù)載到TiO2納米片表面。TiO2納米片與零帶隙石墨纖維之間的歐姆接觸以及TiO2納米片與MoS2納米片之間界面處的緊密結(jié)合形成的二維納米異質(zhì)結(jié)大大促進(jìn)了載流子的分離。通過在紫外和可見光照射下對(duì)甲基橙染料的光催化降解,發(fā)現(xiàn)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維石墨纖維@MoS2-TiO2復(fù)合材料具有優(yōu)異的光催化降解污染物效果。(2)利用碳纖維為模板,通過水熱法合成了碳纖維@TiO2復(fù)合材料,進(jìn)一步退火制備了一種高活性(001)晶面暴露的TiO2納米片。并在TiO2納米片上負(fù)載不同含量的超薄MoS2納米片形成MoS2@TiO2二維-二維納米結(jié)構(gòu),并研究其光解水產(chǎn)氫效果。所制備的MoS2@Ti02復(fù)合材料在MoS2百分含量為15 wt%時(shí),光解水產(chǎn)氫效率最高,是單獨(dú)TiO2納米片的33倍。MoS2@TiO2復(fù)合材料較高的光催化活性歸因于超薄MoS2納米片作為助催化劑;并且復(fù)合材料中的Ti02納米片高暴露(001)活性面,促進(jìn)水分子的活化和還原;此外共存的(101)和(001)晶面可以在單個(gè)Ti02納米片上形成異質(zhì)結(jié),使載流子的復(fù)合得到有效控制。這項(xiàng)研究制備了一種低成本的光催化劑,以實(shí)現(xiàn)無貴金屬助催化劑的高效光解水產(chǎn)氫反應(yīng)。(3)利用水熱法以鈦酸丁酯為鈦源,合成了鈦-有機(jī)物復(fù)合材料,分別在不同溫度下煅燒,成功制備了具有較大比表面積的雙晶相(TiO2(B)和銳鈦礦相)TiO2納米花。通過改變煅燒溫度來改變TiO2納米花中TiO2(B)與銳鈦礦相的含量。通過DSC、XRD、BET和TEM等分析了樣品的物相、結(jié)晶度、比表面積、孔徑分布和結(jié)構(gòu)等。對(duì)雙晶相TiO2納米花進(jìn)行光解水產(chǎn)氫性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在負(fù)載助催化劑Pt時(shí),相對(duì)其他煅燒溫度的樣品,550℃煅燒的TiO2納米花光解水產(chǎn)氫效果最佳。550℃時(shí),雙晶相TiO2納米花擁有最佳TiO2(B)與銳鈦礦相的含量,二者之間構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)有效促進(jìn)了光生電荷的轉(zhuǎn)移,解決了光生電子-空穴容易復(fù)合的問題,從而提高了光催化劑的光解水產(chǎn)氫性能。
【學(xué)位單位】：山東科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;O644.1;TB33
【部分圖文】：

硫化物由于具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體或超導(dǎo)性質(zhì)以及優(yōu)秀的機(jī)械性能等，??在納米電子器件和光電子學(xué)等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，引起了廣大研宄??者們的興趣，成為近年來低維功能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［４（）］。Ｍ〇Ｓ２結(jié)構(gòu)如圖１．４??所不，Ｍｏ原子與Ｓ原子之比為１：２，兩層Ｓ原子之間夾著一層Ｍｏ原子，呈現(xiàn)??出三明治型結(jié)構(gòu)。二維過渡金屬硫化物是具有ＭＸ２型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，Ｍ代表過??渡金屬（如Ｍｏ、Ｗ等），Ｘ代表硫族元素（如Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）?［４｜］。此外，石墨化??氮化碳（ｇ－Ｃ３Ｎ４）也是一種二維層狀結(jié)構(gòu)，最近也被認(rèn)為是在可見光下光解水??產(chǎn)氫以及光還原Ｃ０２的新型光催化劑［４２，４３］。??市場(chǎng)上己有許多商業(yè)光催化產(chǎn)品，包括空氣凈化器和自潔窗戶。然而，在??其他重要應(yīng)用方面，例如氫氣和有機(jī)燃料的生產(chǎn)或光電化學(xué)太陽(yáng)能電池的制造，??在商業(yè)化之前

ＨＦ溶液制備的樣品對(duì)Ｃ０２還原顯示出最佳光催化活性。該樣品的平均邊長(zhǎng)和厚??度分別為？８０?ｎｍ和？３０?ｎｍ，?（００１）與（１０１）面的比例為５８：４２�；冢模疲杂�(jì)??算，（００１）和（１０１）面具有不同的能帶結(jié)構(gòu)（如圖１．６ｂ），于是文獻(xiàn)中提出了??“表面異質(zhì)結(jié)”概念，如圖１．６ａ所示。異質(zhì)結(jié)的構(gòu)成將有利于在（１０１）和（００１）??面上分別積累光生電子和空穴。然而，ＨＦ量的增加會(huì)導(dǎo)致（００１）面暴露比例??增加，從而導(dǎo)致（１０１）面上產(chǎn)生電子溢流效應(yīng)并降低光催化活性。??１０??

－Ａ?－４?－２?０?２?４??Ｅｎｅｒｇｙ?（ｅＶ）??圖１．６?（ａ）?Ｔｉ０２納米片（００１）與（１０１）晶面之間表面異質(zhì)結(jié)形成示意圖，（ｂ）通過ＤＦＴ??計(jì)算（１０１）和（００１）晶面的態(tài)密度１５２１??Ｆｉｇ．?１．６?（ａ）?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ?ｆｏｒｍｅｄ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｔｈｅ?（００１）?ａｎｄ?（１０１）??ｓｕｒｆａｃｅｓ?ｏｆ?Ｔｉ０２?ｎａｎｏｓｈｅｅｔ，?（ｂ）?Ｄｅｎｓｉｔｙ?ｏｆ?ｓｔａｔｅｓ?（ＤＯＳ）?ｏｆ?（１０１）?ａｎｄ?（００１）?ｓｕｒｆａｃｅｓ?ｏｆ??ａｎａｔａｓｅ?Ｔｉ０２?ｆｒｏｍ?ＤＦＴ?ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ??目前己有多種方法成功合成了具有高百分比（００１）面暴露的銳鈦礦Ｔｉ０２，??如圖１．７ａ所示。他１１等［５３］人在水熱條件下用Ｔｉ（Ｃ４Ｈ９０）４作為前體，ＨＦ作為封??端劑制備了（００１）晶面主導(dǎo)的Ｔｉ０２。得到的光活性是Ｐ２５的９倍。并通過改變??ｒ的量分析了?Ｆ對(duì)（００１）面的影響。通過實(shí)驗(yàn)分析得出ＨＦ含量和反應(yīng)溫度對(duì)??（００１）晶面的形成過程起關(guān)鍵作用。制備最大百分比的（００１）面的最佳反應(yīng)??條件為２００°Ｃ，?５ｍＬＴｉ（Ｃ４Ｈ９０）４和０．８ｍＬＨＦ。在此條件下獲得的納米片的平均??尺寸為？１３０ｎｍ，厚度為？８ｎｍ，?（００１）面的暴露比為８９％。丫〇啤等［５４］人通過改??變反應(yīng)壓力和溫度，用Ｔｉ（Ｃ４Ｈ９０）４和ＨＦ為原料，采用水熱法合成了具有８２％??（００１）面和１．６￣２．７ｎｍ厚度的超�。裕椋埃布{米片
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