發(fā)布時(shí)間：2018-05-31 14:16

  本文選題：異質(zhì)結(jié) + 導(dǎo)帶　； 參考：《催化學(xué)報(bào)》2017年08期

【摘要】：隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,人們生活水平飛速提高的同時(shí),能源短缺和環(huán)境污染成為當(dāng)前人類可持續(xù)發(fā)展過程中的兩大嚴(yán)峻問題.氫作為一種能源載體,能量密度高,可儲(chǔ)可運(yùn),且燃燒后唯一產(chǎn)物是水,不污染環(huán)境,被認(rèn)為是今后理想的無污染可再生替代能源.20世紀(jì)60年代末,日本學(xué)者Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)光照n-型半導(dǎo)體TiO_2電極可導(dǎo)致水分解,使人們認(rèn)識(shí)到了利用半導(dǎo)體光催化分解水制氫可直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能的可行性,利用半導(dǎo)體光催化分解水制氫逐漸成為能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.然而,單相光催化材料的光生電子和空穴復(fù)合仍然嚴(yán)重,光催化制氫效率低,無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需要;另外,單相光催化材料不能同時(shí)具備較窄的禁帶、較負(fù)的導(dǎo)帶和較正的價(jià)帶.近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在新型光催化材料的探索、合成和改性以及光催化理論等領(lǐng)域開展了大量研究工作.不斷有不同種類的半導(dǎo)體材料被研究和發(fā)展為光催化分解水制氫催化材料.例如,具有可見光催化活性的陰、陽(yáng)離子摻雜TiO_2,具有可見光下光解純水能力的In_(0.9)Ni_(0.1)TaO_4,在256 nm紫外光輻照下量子效率達(dá)到56%的鑭摻雜NaTaO_3,CdS以及(AgIn)_xZn_(2(1-x))S_2等.在現(xiàn)有的光催化材料中,單相光催化材料可以通過摻雜、形貌控制合成、晶面控制合成、染料敏化和表面修飾等提高其光催化活性.復(fù)合型光催化材料則能通過組合不同電子結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料并調(diào)控其光生載流子遷移獲得優(yōu)異的光催化制氫性能,大幅拓展了光催化制氫材料的研究范圍和提升了光催化制氫性能.構(gòu)建異質(zhì)結(jié)能夠有效提高光生電子-空穴分離效率,促使更多的光生電子參與光催化制氫反應(yīng),提高其氧化還原能力,從而提高其光催化制氫效率.在I-型納米異質(zhì)結(jié)中,半導(dǎo)體A的價(jià)帶高于半導(dǎo)體B,而導(dǎo)帶則是前者高于后者,光照時(shí),光生電子-空穴對(duì)的遷移速率是不同的,延長(zhǎng)了光生電子的壽命,從而提高了材料的光催化活性.但是在I-型異質(zhì)結(jié)中,電子和空穴都集中在B半導(dǎo)體上,這樣光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率仍然很高.II-型異質(zhì)結(jié)中電子和空穴的富集處各不相同,因此使用范圍也更廣泛一些.光輻照激發(fā)時(shí),光生電子從半導(dǎo)體B的導(dǎo)帶遷移到半導(dǎo)體A的導(dǎo)帶上,而空穴則從半導(dǎo)體A的價(jià)帶向半導(dǎo)體B的價(jià)帶上轉(zhuǎn)移,從而形成了載流子的空間隔離,有效抑制其復(fù)合.但是,在這個(gè)類型的異質(zhì)結(jié)中,光生電子轉(zhuǎn)移到了相對(duì)位置較低的導(dǎo)帶,而空穴則轉(zhuǎn)移到相對(duì)位置較高的價(jià)帶,這樣就降低了光生電子的還原能力和空穴的氧化能力.pn型異質(zhì)結(jié)中,在兩種半導(dǎo)體相互接觸時(shí),由于電子-空穴對(duì)的擴(kuò)散作用,兩種半導(dǎo)體的能帶發(fā)生漂移,其中p型上移,n型下移.而且在兩種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的界面處會(huì)產(chǎn)生空間電荷層,在這個(gè)電荷層的作用下,在異質(zhì)結(jié)界面上形成內(nèi)建電場(chǎng).在合適波長(zhǎng)的光源輻照的條件下,兩種半導(dǎo)體同時(shí)被激發(fā),光生電子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下,從p型半導(dǎo)體快速遷移到n型半導(dǎo)體上,而n型半導(dǎo)體中留在價(jià)帶上的空穴則快速遷移到p型半導(dǎo)體上,這樣光生電子-空穴對(duì)就得到了有效的分離.在以Z型載流子遷移為主導(dǎo)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中擯棄了中間媒介,通過控制界面的載流子遷移使低能量的光生電子與空穴直接復(fù)合保留高能量的光生電子-空穴,從而提高了材料的光催化效率.本文介紹了納米異質(zhì)結(jié)光催化劑在設(shè)計(jì)合成方面的研究進(jìn)展,總結(jié)了幾種納米異質(zhì)結(jié)(I-型、II-型、pn-型及Z-型)的光催化原理及其在制取氫氣方面的研究進(jìn)展,并展望了研究發(fā)展方向.期望本文能夠加深研究者對(duì)該領(lǐng)域的理解,為今后高效光催化材料的設(shè)計(jì)提供幫助和指導(dǎo).
[Abstract]:With the rapid development of the world economy and the rapid improvement of people's living standards, energy shortage and environmental pollution have become the two major problems in the process of sustainable development of human beings. As a carrier of energy, hydrogen is high in energy density and can be stored and transported, and the only product after combustion is water, not polluting the environment, and is considered to be ideal for the future. In the late 60s of.20 century, pollution of renewable alternative energy sources, Japanese scholars Fujishima and Honda found that light n- semiconductor TiO_2 electrode could cause water decomposition. People realized the feasibility of converting solar energy into hydrogen by using semiconductor photocatalyst to decompose water from hydrogen to hydrogen, and gradually become energy by using semiconductor photocatalytic decomposition of water to produce hydrogen. However, the photoelectron and hole recombination of single-phase photocatalytic material is still serious, the efficiency of photocatalytic hydrogen production is low, and it can not meet the actual production needs. In addition, the single-phase photocatalytic material can not have a narrow band, negative guide band and more positive valence band. In recent years, domestic and foreign scholars have been in the new photocatalytic material. A lot of research work has been carried out in the fields of material exploration, synthesis and modification, and the theory of photocatalytic catalysis. Various kinds of semiconductor materials have been studied and developed as photocatalytic materials for the photocatalytic decomposition of water for hydrogen production. For example, the visible photocatalytic activity of the cathode, cation doped TiO_2, and the ability to photolysis of pure water under visible light, In_ (0.9) Ni_ (0.1) TaO_4, the quantum efficiency reaches 56% of the lanthanum doped NaTaO_3, CdS and (AgIn) _xZn_ (2 (1-x)) S_2 under 256 nm UV irradiation. In the existing photocatalytic materials, the single-phase photocatalytic materials can be doped, morphology controlled synthesis, crystal surface control synthesis, dyestuff sensitization and surface modification to improve their photocatalytic activity. The excellent photocatalytic hydrogen production performance can be obtained by combining semiconductor materials with different electronic structures and controlling their photoinduced carrier migration, which greatly expands the scope of photocatalytic hydrogen production and improves the performance of photocatalytic hydrogen production. The construction of heterojunction can effectively improve the efficiency of photoelectron hole separation and promote more light generation. In the I- type nano heterojunction, the valence band of semiconductor A is higher than that of the semiconductor B, while the conduction band is higher than the latter in the guide band, and the migration rate of the photoelectron hole pair is different, thus prolonging the lifetime of the photoelectron and thus increasing the lifetime of the photoelectron. Photocatalytic activity of the material, but in the I- type heterojunction, the electrons and holes are concentrated on the B semiconductor, so the recombination probability of the photoelectron hole pair is still very high in the concentration of electrons and holes in the.II- type heterojunction, so the use range is more extensive. It is migrated to the guide band of the semiconductor A, while the hole is transferred from the valence band of the semiconductor A to the valence band of the semiconductor B, thus forming the space isolation of the carrier and effectively inhibiting its recombination. However, in this type of heterojunction, the photoelectron transfer to a relatively low relative position leads and the hole is transferred to a relatively higher valence band, In this way, the reduction ability of the photoelectrons and the oxidation capacity of the cavity are reduced in the.Pn type heterojunction. When the two semiconductors contact each other, the energy band of the two semiconductors is drifting due to the diffusion of the electron hole pair, in which the P type is moved up and the N type is moved down. And the space charge layer will be produced at the interface of the two kinds of half conductor heterojunction. Under the action of this charge layer, an internal electric field is formed at the heterojunction interface. Under the condition of radiation of the suitable wavelength light source, two kinds of semiconductors are excited simultaneously. Under the action of the internal electric field, the photogenerated electrons migrate from the P type semiconductor to the N type semiconductor rapidly, while the holes in the valence band in the N type semi conductors are rapidly migrated to the P type half. On the conductor, the photoelectron hole pair is effectively separated. The intermediate medium is abandoned in the heterostructure material which is dominated by the Z carrier migration. By controlling the carrier migration of the interface, the low energy photoelectrons and holes are directly combined with the cavity to retain the high energy photoelectron hole, thus increasing the light of the material. In this paper, the research progress in the design and synthesis of nano heterojunction photocatalyst is introduced. The photocatalytic principle of several nano heterostructures (I-, II-, pn- and Z-) and the research progress in the production of hydrogen are summarized, and the prospect of the research is also prospected. This paper hopes to deepen the understanding of the researchers in this field. In the future, the design of efficient photocatalytic materials will help and guide.
【作者單位】： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室納米材料與化學(xué)研究部;新疆師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院;
【基金】：supported by the National Natural Science Foundation of China (51572253,21271165) Scientific Research Grant of Hefei Science Center of CAS (2015SRG-HSC048) Cooperation between NSFC and Netherlands Organization for Scientific Research (51561135011)~~
【分類號(hào)】：O643.36;TQ116.2

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本文編號(hào)：1960035