【摘要】：太陽能作為一種清潔的可再生能源被認(rèn)為是解決當(dāng)前環(huán)境能源問題重要的手段之一。光催化技術(shù)由于其可以應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換,裂解水產(chǎn)氫,處理水污染等領(lǐng)域,受到研究者的廣泛關(guān)注。研究表明貴金屬與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料復(fù)合成異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于貴金屬的等離子共振效應(yīng)可以有效地提高光催化活性,因此成為目前研究的熱點之一。受自然界中如北極熊毛的中空結(jié)構(gòu),蝶翅的凹陷結(jié)構(gòu)等減反射結(jié)構(gòu)啟發(fā),開發(fā)貴金屬@半導(dǎo)體仿生空心核殼結(jié)構(gòu)光催化劑將結(jié)合貴金屬的等離子共振效應(yīng)和具有減反射性能的內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu),拓展光催化劑對可見光的吸收并且提高光能捕獲效率,從而提高光催化效率,具有重要的研究意義。本論文首先采用一步反應(yīng)法在水熱條件下設(shè)計制備了Au@Ti O_2仿生空心核殼結(jié)構(gòu)光催化劑。制備的Au@TiO_2仿生空心核殼結(jié)構(gòu)光催化劑結(jié)合了Au納米粒子對可見光的吸收以及中空結(jié)構(gòu)能通過增加光在其內(nèi)的反射和散射減少反射的性質(zhì),有效提高了光催化劑對可見光的光能捕獲效率。并且Au@Ti O_2仿生空心核殼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),即Au核尺寸(30-70 nm),中空部分直徑(104-146 nm)以及TiO_2殼層厚度(21-31 nm),可以通過改變反應(yīng)條件通過一步反應(yīng)法成功調(diào)控。在可見光條件下,相比商業(yè)化TiO_2和Au@TiO_2核殼結(jié)構(gòu),具有不同幾何參數(shù)的Au@TiO_2仿生空心核殼結(jié)構(gòu)均展現(xiàn)了明顯提高的光催化效率。進(jìn)一步通過光催化降解羅丹明B,系統(tǒng)地研究了納米粒子的尺寸參數(shù)對其光催化性能的影響,通過考察尺寸參數(shù)對納米粒子的比表面積、光吸收以及光生電子-空穴的分離等的協(xié)同作用,分析雜化納米粒子的催化機(jī)理及動力學(xué)過程。研究發(fā)現(xiàn)較小的空腔尺寸,較薄的TiO_2殼層以及中等的Au納米粒子直徑可以獲得較高的光催化效率。進(jìn)一步,本論文對優(yōu)化后的Au@TiO_2仿生空心核殼結(jié)構(gòu)光催化劑進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換和光催化產(chǎn)氫方面的性質(zhì)研究。研究表明,將Au@Ti O_2仿生空心核殼結(jié)構(gòu)光催化劑作為工作電極,在模擬太陽光下,具有快速、可逆、穩(wěn)定的光電流響應(yīng),其光電流可以達(dá)到3.5μA/cm~2,分別是商業(yè)化TiO_2和Au@Ti O_2核殼結(jié)構(gòu)光催化劑的4.2倍和1.6倍。電化學(xué)阻抗譜和熒光光譜測試進(jìn)一步說明了Au@TiO_2仿生空心核殼結(jié)構(gòu)光催化劑有更高的電子傳遞和分離效率。另外,將Au@TiO_2仿生空心核殼結(jié)構(gòu)光催化劑用作光催化產(chǎn)氫實驗,其產(chǎn)氫效率可達(dá)4.92 mmol/g.h,明顯高于商業(yè)化TiO_2和Au@TiO_2核殼結(jié)構(gòu)光催化劑,并且在三次循環(huán)試驗下展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。本論文提出的制備Au@TiO_2仿生空心核殼結(jié)構(gòu)光催化劑的方法為設(shè)計制備新型高效的可見光半導(dǎo)體光催化劑提供新思路,該光催化劑結(jié)合貴金屬和減反射結(jié)構(gòu)的特點,展現(xiàn)了良好的光催化效果,有廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;O644.1
【圖文】：

半導(dǎo)體可以在光照下被激發(fā)，以TiO2為例，其電子轉(zhuǎn)移的機(jī)理如圖1.1所示[8, 9]。在光照射時，半導(dǎo)體 TiO2當(dāng)吸收了波長小于或等于 387nm 的光子后，即光子能量大于 TiO2禁帶寬度 (Eg= 3.2 eV)，其價帶上的電子可以被激發(fā)，躍遷進(jìn)入導(dǎo)帶形成活性很高的光致電子 e-，相應(yīng)的會在價帶生成空穴 h+，即電子-空穴對。電子-空穴對在電場的作用下分離并遷移到粒子表面，可以分別與得電子體或者失電子體結(jié)合生成相應(yīng)的粒子或者傳遞到外電路中，起到光催化降解、產(chǎn)氫或者光電轉(zhuǎn)換的效果。例如

眼的減反射材料面形成的二維凸起的納米陣列，是一種納米減965 年，Bernhard 等人在夜蛾復(fù)眼上發(fā)現(xiàn)了這種進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這些乳突結(jié)構(gòu)可以降低結(jié)構(gòu)的反射射，提高光能捕獲效率[37]。類似的結(jié)構(gòu)也可以上發(fā)現(xiàn)，這種乳突結(jié)構(gòu)使昆蟲的視覺極為靈敏，結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積。受這種減反射結(jié)構(gòu)眼上的乳突結(jié)構(gòu)，制備了硅的納米柱陣列，并在.3 所示，該陣列雜化結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了明顯低于光滑硅射性能，并在光電流轉(zhuǎn)換和光催化降解方面都展

眼的減反射材料面形成的二維凸起的納米陣列，是一種納米減965 年，Bernhard 等人在夜蛾復(fù)眼上發(fā)現(xiàn)了這種進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這些乳突結(jié)構(gòu)可以降低結(jié)構(gòu)的反射射，提高光能捕獲效率[37]。類似的結(jié)構(gòu)也可以上發(fā)現(xiàn)，這種乳突結(jié)構(gòu)使昆蟲的視覺極為靈敏，結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積。受這種減反射結(jié)構(gòu)眼上的乳突結(jié)構(gòu)，制備了硅的納米柱陣列，并在.3 所示，該陣列雜化結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了明顯低于光滑硅射性能，并在光電流轉(zhuǎn)換和光催化降解方面都展

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號：2751066