現(xiàn)在環(huán)境問題（如水污染和大氣污染）與能源問題是世界各國,尤其我國普遍存在的兩大問題,人們迫切需要找到有效地治理手段和解決方法。最新研究發(fā)現(xiàn),當光照射在光催化材料上時,可以使之激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對,作為活性物種來分解水中的有機物,從而凈化水質(zhì)。這類材料也可通過制備成光電極,利用光電化學裝置,在紫外-可見光照射下產(chǎn)生O₂和H₂,而產(chǎn)生的H₂可以作為清潔能源來替代化石能源,進而減輕大氣污染。這些研究是解決當前環(huán)境問題與能源問題的科學前沿,能夠為人們提供了一種理想的解決問題的途徑。隨著環(huán)境問題與能源危機的日益加重,尋找能夠高效利用太陽能的半導體光催化材料,成為科學家們亟待解決的問題。ZnO材料具有帶隙合適、電子遷移率高、制備成本低與無污染等優(yōu)勢,適宜作為一種合適的光催化材料。但其又存在電子-空穴對易復合,帶隙寬度較寬以及導電性差等特點,限制了其進一步對太陽能的利用。本課題制備了多種形貌結(jié)構(gòu)的ZnO納米材料,系統(tǒng)地研究了形貌調(diào)控對ZnO納米材料光電化學性能的影響;采用石墨烯和貴金屬納米顆粒等ZnO納米材料表面修飾手段,通過光照... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所)上海市

【文章頁數(shù)】：139 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

1不同半導體的能帶結(jié)構(gòu)圖

·OH 的光降解： R-H + ·OH → ·R + H2O （1.8）h+的直接反應： R + h+→ ·R+→ 中間產(chǎn)物/最終降解產(chǎn)物 （1.9）過氧化物的質(zhì)子化： ·O2-+ ·OH → HOO· （1.10）與電子的共消除： HOO· + e-→ HO2-（1.11）形成 H2O2： HOO-+ H+→ H2O2（1.12）式 1.5 中的 e-TR和 h+TR代表在表面被俘獲的導帶電子和價帶空穴，由于這些俘獲的載流子通常在半導體表面具有界限，因此這些被俘獲的載流子不會立即在光激發(fā)后復合34。如果沒有電子消除劑時，光生電子將會和價帶中的空穴在納秒時間內(nèi)復合并同時釋放出光能。因此，電子消除劑的存在能夠延長復合的時間并使得光催化可以順利進行。式 1.6 表明了溶解 O2的存在可以阻止電子-空穴對的復合并產(chǎn)生過氧基團（·O2-）。·O2-可以進一步質(zhì)子化形成 HOO·隨之形成 H2O2如式 1.10-1.12 所示。HOO·自由基的形成同樣可以繼續(xù)捕獲電子，因此這些自由

（約等于1%的地球沙漠面積）的太陽能利用率只有10%，在綜合太陽能常數(shù)AM 1.5 G的前提下，太陽照射一天所能轉(zhuǎn)化的能量即可滿足人們所需能量的1/3。在圖1.3中描述了一個設想的通過太陽能分解水大規(guī)模制備氫氣的規(guī)劃圖，站在大規(guī)模制備氫氣的角度，光催化材料具有更大的使用空間，但是目前為止，光催化材料還有很多問題亟待解決，以ZnO為例，由于它的帶隙較寬（3.37 eV），限制了他對太陽光的響應，導致其只可以利用4%的太陽光能。除此之外光生電子空穴對復合幾率較高，也限制了它的光催化與光電化學分解水效率。因此，通過新型的納米結(jié)構(gòu)ZnO復合材料的研究來提高太陽光利用率和光生電子空穴對的分離效率成為人們研究的熱點。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]光催化還原CO2合成太陽燃料半導體光催化劑的設計與制備（英文）[J]. 李鑫,溫九青,劉敬祥,方岳平,余家國.  Science China Materials. 2014(01)



本文編號：2903528