仿生空心核殼結構光催化劑的制備及性質研究

發(fā)布時間：2020-07-11 23:16

【摘要】：太陽能作為一種清潔的可再生能源被認為是解決當前環(huán)境能源問題重要的手段之一。光催化技術由于其可以應用于光電轉換,裂解水產氫,處理水污染等領域,受到研究者的廣泛關注。研究表明貴金屬與傳統(tǒng)半導體材料復合成異質結構由于貴金屬的等離子共振效應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構,蝶翅的凹陷結構等減反射結構啟發(fā),開發(fā)貴金屬@半導體仿生空心核殼結構光催化劑將結合貴金屬的等離子共振效應和具有減反射性能的內部空腔結構,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法在水熱條件下設計制備了Au@Ti O_2仿生空心核殼結構光催化劑。制備的Au@TiO_2仿生空心核殼結構光催化劑結合了Au納米粒子對可見光的吸收以及中空結構能通過增加光在其內的反射和散射減少反射的性質,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仿生空心核殼結構的幾何參數,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),可以通過改變反應條件通過一步反應法成功調控。在可見光條件下,相比商業(yè)化TiO_2和Au@TiO_2核殼結構,具有不同幾何參數的Au@TiO_2仿生空心核殼結構均展現了明顯提高的光催化效率。進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對其光催化性能的影響,通過考察尺寸參數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理及動力學過程。研究發(fā)現較小的空腔尺寸,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。進一步,本論文對優(yōu)化后的Au@TiO_2仿生空心核殼結構光催化劑進行了光電轉換和光催化產氫方面的性質研究。研究表明,將Au@Ti O_2仿生空心核殼結構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,其光電流可以達到3.5μA/cm~2,分別是商業(yè)化TiO_2和Au@Ti O_2核殼結構光催化劑的4.2倍和1.6倍。電化學阻抗譜和熒光光譜測試進一步說明了Au@TiO_2仿生空心核殼結構光催化劑有更高的電子傳遞和分離效率。另外,將Au@TiO_2仿生空心核殼結構光催化劑用作光催化產氫實驗,其產氫效率可達4.92 mmol/g.h,明顯高于商業(yè)化TiO_2和Au@TiO_2核殼結構光催化劑,并且在三次循環(huán)試驗下展現了良好的穩(wěn)定性。本論文提出的制備Au@TiO_2仿生空心核殼結構光催化劑的方法為設計制備新型高效的可見光半導體光催化劑提供新思路,該光催化劑結合貴金屬和減反射結構的特點,展現了良好的光催化效果,有廣闊的應用前景。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;O644.1
【圖文】：

電子,空穴,半導體,光照條件

半導體可以在光照下被激發(fā)，以TiO2為例，其電子轉移的機理如圖1.1所示[8, 9]。在光照射時，半導體 TiO2當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)，躍遷進入導帶形成活性很高的光致電子 e-，相應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合生成相應的粒子或者傳遞到外電路中，起到光催化降解、產氫或者光電轉換的效果。例如

乳突結構,減反射

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 等人在夜蛾復眼上發(fā)現了這種進一步發(fā)現這些乳突結構可以降低結構的反射射，提高光能捕獲效率[37]。類似的結構也可以上發(fā)現，這種乳突結構使昆蟲的視覺極為靈敏，結構具有較高的比表面積。受這種減反射結構眼上的乳突結構，制備了硅的納米柱陣列，并在.3 所示，該陣列雜化結構展現了明顯低于光滑硅射性能，并在光電流轉換和光催化降解方面都展

乳突結構,陣列結構,光催化,金字塔