【摘要】：半導(dǎo)體光催化技術(shù)是解決人類面臨的兩大嚴(yán)峻問(wèn)題即環(huán)境污染和能源危機(jī)的重要途徑之一。利用半導(dǎo)體光催化技術(shù)降解污染物和分解水制氫是能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。但是,目前的光催化材料其效率都較低,影響光催化效率的關(guān)鍵因素包括:太陽(yáng)光的充分吸收和利用;載流子的有效分離和傳輸;表面的氧化還原化學(xué)反應(yīng)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者通過(guò)構(gòu)建半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光催化復(fù)合材料來(lái)調(diào)控光生電子-空穴的分離、遷移和傳輸獲得優(yōu)異的光催化效率。本文通過(guò)兩種帶隙、電子結(jié)構(gòu)相匹配的半導(dǎo)體材料二硫化鉬、二氧化鈦來(lái)構(gòu)筑異質(zhì)結(jié),通過(guò)調(diào)節(jié)異質(zhì)結(jié)的界面結(jié)構(gòu):有效的界面電荷的轉(zhuǎn)移;大的界面比表面積的有效利用;強(qiáng)的界面電荷束縛來(lái)提高復(fù)合材料的光催化效率。主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,在第二章中利用水熱法在鈦基底上合成二氧化鈦納米線陣列薄膜,通過(guò)改變鉬源(鉬酸鈉)和硫源(硫代乙酰胺)的摩爾比,合成出不同擔(dān)載量的二硫化鉬-二氧化鈦(MoS_2-TiO_2)復(fù)合材料。通過(guò)XRD、Raman、SEM、TEM、UV-vis等表征手段證明了六方晶相的二硫化鉬納米片包裹在銳鈦礦相的二氧化鈦納米線上,形成了異質(zhì)結(jié),并且隨著二硫化鉬擔(dān)載量的增多,復(fù)合材料在可見(jiàn)光區(qū)的吸收增強(qiáng)。隨后對(duì)復(fù)合材料的熒光及光電流進(jìn)行了測(cè)試及分析,結(jié)果表明隨著二硫化鉬擔(dān)載量的增多熒光強(qiáng)度逐漸減弱,而光電流則逐漸增大,說(shuō)明光生電子和空穴的分離效率增強(qiáng)。進(jìn)一步對(duì)一系列復(fù)合材料進(jìn)行可見(jiàn)光下降解有機(jī)污染物的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明在可見(jiàn)光作用下,6%-MoS_2-TiO_2作為光催化劑在1 h內(nèi)把羅丹明B(RhB)降解了90%以上,材料的光催化效率比二氧化鈦納米線陣列薄膜有了較大的提高,是由于異質(zhì)結(jié)的形成促進(jìn)了界面光生電子和空穴的有效分離和傳輸。在第三章中,通過(guò)兩步水熱法以PS球(聚苯乙烯微球)為模板合成了復(fù)合材料PS/TiO_2/MoS_2,進(jìn)一步在氮?dú)鈿夥障峦嘶鹦纬芍锌战Y(jié)構(gòu)的C/TiO_2/MoS_2復(fù)合材料。隨后通過(guò)SEM、TEM、XRD、Raman表征手段對(duì)材料的形貌及晶相結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,結(jié)果表明,PS/TiO_2/MoS_2是球狀的,退火后形成的C/TiO_2/MoS_2是中空結(jié)構(gòu)的,合成的二氧化鈦、二硫化鉬分別屬于銳鈦礦相及六方晶相,并且Raman結(jié)果顯示有石墨碳的存在。UV-vis表明C/TiO_2/MoS_2在可見(jiàn)光區(qū)的吸收顯著增強(qiáng),熒光光譜和光電流分析測(cè)試結(jié)果表明C/TiO_2/MoS_2的熒光強(qiáng)度最低,光電流比二氧化鈦中空球明顯提高,說(shuō)明異質(zhì)結(jié)的形成和比表面積的增加有利于光生電子和空穴的分離和傳輸,從而使光催化效率明顯提高。隨后對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了可見(jiàn)光下的光降解染料評(píng)價(jià)及全光譜下的光解水產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,C/TiO_2/MoS_2作為光催化劑,在可見(jiàn)光作用下2 h內(nèi)RhB降解了約92%,在全光譜照射下產(chǎn)氫速率為37.08μmol/(g?h),對(duì)比二氧化鈦中空球催化效率有了明顯的提高。C/TiO_2/MoS_2催化效率的提高是由于材料比表面積的變化、石墨碳的存在以及二氧化鈦、二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的形成共同促進(jìn)了光生電子和空穴的分離和傳輸。由于兩種材料界面強(qiáng)的束縛有利于界面電荷的有效傳輸,因此在第四章中我們利用乙酸調(diào)節(jié)pH值來(lái)調(diào)控二硫化鉬、二氧化鈦的表面電荷,使兩種材料表面帶相反電荷,可以增加MoS_2、TiO_2(在第四章中使用的材料是前面兩章合成的)的界面接觸面積,來(lái)合成TiO_2-MoS_2復(fù)合材料。將通過(guò)pH調(diào)節(jié)的復(fù)合材料(P-TiO_2-MoS_2)和機(jī)械復(fù)合的材料(M-TiO_2-MoS_2)作對(duì)比進(jìn)行了一系列分析測(cè)試,光吸收光譜結(jié)果顯示兩種途徑合成的復(fù)合材料P-TiO_2-MoS_2和M-TiO_2-MoS_2的吸收都擴(kuò)展到了可見(jiàn)光區(qū),但是P-TiO_2-MoS_2的熒光強(qiáng)度明顯較低,說(shuō)明電子和空穴復(fù)合的幾率較小。隨后對(duì)材料進(jìn)行了可見(jiàn)光下的光降解染料性能評(píng)價(jià)及全光譜下的光解水產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,P-TiO_2-MoS_2作為光催化劑,在2 h內(nèi)RhB降解了約80%,而在全光譜照射下產(chǎn)氫速率為28.8μmol/(g?h),比機(jī)械混合的復(fù)合材料光催化性能提高不多,可能是由于制備的復(fù)合材料缺陷較多充當(dāng)了電子-空穴的復(fù)合中心所致。
【圖文】：

圖 1-1 MoS2的結(jié)構(gòu)圖[20]化的原理及存在的問(wèn)題化劑的基本原理角度來(lái)分析，是指半導(dǎo)體材料在受到光的發(fā)生的一系列氧化還原反應(yīng)。半導(dǎo)體光催化—如二氧化鈦，受到能量大于或等于 380子(e-)就會(huì)獲得能量躍遷到能級(jí)較高的導(dǎo))，由于電子和空穴的作用，在二氧化鈦內(nèi)子和空穴遷移到材料的不同活性位點(diǎn)處，者產(chǎn)生氫氣的氧化還原反應(yīng)。

圖 1-2 半導(dǎo)體光催化原理示意圖[22]半導(dǎo)體光催化劑存在的問(wèn)題及解決途徑光催化劑目前的發(fā)展進(jìn)程來(lái)說(shuō)，在實(shí)際生活應(yīng)用中仍然存在一半導(dǎo)體光催化的基本原理可知，光生載流子的產(chǎn)生、遷移、復(fù)合化學(xué)反應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體材料的光催化效率起著至關(guān)重要的作用。光生光的輻射激發(fā)產(chǎn)生之后，它的分離與遷移以及復(fù)合一直存在于半過(guò)程中，，它們之間是一個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，此消彼長(zhǎng)，并且競(jìng)爭(zhēng)化劑的效率產(chǎn)生影響。因此，在光催化反應(yīng)的研究中，提高半導(dǎo)（即擴(kuò)大材料的吸收范圍）、抑制光生電荷的復(fù)合和提高電子的體材料的光催化活性是十分必要的。導(dǎo)體光催化劑（TiO2[23]、ZnO[24]、CdS[25]等）中，二氧化鈦由于催化活性、無(wú)毒及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在眾多催化劑中脫穎而出。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O643.36;O644.1

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本文編號(hào)：2616778