氧化物半導(dǎo)體光催化劑因其在環(huán)境、能源等領(lǐng)域的重要應(yīng)用,備受研究者關(guān)注。但是,受限于電荷分離效率和表面反應(yīng)速率,這類光催化劑一直存在光催化活性不足的難題。如何活化氧化物半導(dǎo)體光催化劑,提高光催化反應(yīng)效率,是實(shí)現(xiàn)其在環(huán)境、能源領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵。本文利用先進(jìn)的溶液等離子體放電技術(shù),在兩種典型的半導(dǎo)體光催化劑（TiO₂、BiVO₄）表面引入缺陷,探索通過表面缺陷工程提升氧化物光催化劑活性的有效方法,為設(shè)計制備高效的光催化劑提供可行的策略。主要研究內(nèi)容如下:（一）溶液等離子體活化十面體釩酸鉍光催化劑。利用水熱法合成具有還原性{010}晶面作為富集電子和氧化性{110}晶面作為富集空穴的十面體釩酸鉍,進(jìn)而利用溶液等離子體處理十面體釩酸鉍。理論計算和ESR、XPS等譜學(xué)研究表明,溶液等離子體放電能在十面體釩酸鉍表面引入釩缺陷,且引入的表面釩缺陷更易在{110}晶面上形成。瞬態(tài)光電壓測試和晶面選擇性等研究表明,表面釩缺陷引入能加強(qiáng)空穴富集在{110}晶面,抑制光生載流子復(fù)合,促進(jìn)光生電子-空穴對定向傳輸?shù)竭�原性晶面和氧化性晶面,從而使十面體釩酸鉍晶面選擇性... 

【文章來源】：東北師范大學(xué)吉林省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

半導(dǎo)體光催化劑催化反應(yīng)機(jī)理

3外，研究者也致力于獲得一些新型半導(dǎo)體光催化材料，包括釩酸鉍（BiVO4）、硫化鎘（CdS）、五氮化三鉭（Ta3N5）等[23]。除了無機(jī)半導(dǎo)體材料，高分子C3N4近期作為一種新型的光催化劑也可以實(shí)現(xiàn)光催化水分解。半導(dǎo)體光催化劑一般具有以下兩方面共同點(diǎn)，首先具有與太陽光譜中紫外和可見波段的光能量相當(dāng)?shù)慕麕挾?常見半導(dǎo)體禁帶寬度約為1.7—3.5eV)，其次導(dǎo)帶和價帶具有恰當(dāng)?shù)难趸�原電位，使電子-空穴對能參與表面的氧化還原反應(yīng)。圖1.2給出了常見半導(dǎo)體的帶隙和能帶位置圖，其中二氧化鈦(TiO2)因?yàn)槠渚哂辛己玫姆�(wěn)定性、安全無毒、價格低廉、地球儲備豐富等優(yōu)點(diǎn)，成為半導(dǎo)體光催化領(lǐng)域研究最深和最廣的材料[24]。二氧化鈦（TiO2）雖然是應(yīng)用最廣的光催化劑，但是其禁帶寬度達(dá)到（3.2eV），只能吸收太陽光譜中的紫外光。典型三元氧化物釩酸鉍（BiVO4）具有合適的禁帶寬度（2.4eV），能吸收太陽光譜中的可見光，并且樣品具有較強(qiáng)的水氧化性能，是目前廣泛應(yīng)用于光催化水分解氧氣和光電化學(xué)水分解產(chǎn)氧氣材料。釩酸鉍和二氧化鈦這兩種典型的半導(dǎo)體光催化劑具體性質(zhì)，將在接下來的1.2.2.1和1.2.2.2介紹。圖1.2常見半導(dǎo)體光催化劑帶隙和能帶位置圖1.2.2.1釩酸鉍光催化劑BiVO4俗稱鉍黃，因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒，能吸收太陽光譜中的可見光，所以被廣泛的應(yīng)用于光催化和光電化學(xué)分解水產(chǎn)氧氣，有機(jī)污染物降解[25]。BiVO4具有三種晶相：分別為四方鋯石結(jié)構(gòu)，單斜白鎢礦結(jié)構(gòu)和四方白鎢礦結(jié)構(gòu)。通過改變溫度，BiVO4三種晶相之間可以相互轉(zhuǎn)化[26]，具體轉(zhuǎn)換過程如圖1.3所示。

4圖1.3BiVO4三種晶相之間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系從研究的結(jié)果來看，單斜相白鎢礦具有最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出高效的光催化活性，同時單斜相白鎢礦的帶隙寬度是2.4eV，能吸收波長在520nm范圍以內(nèi)的可見光，因此研究者主要集中研究單斜相白鎢礦釩酸鉍。由圖1.4可以發(fā)現(xiàn)，釩酸鉍的價帶由O2p軌道和Bi6s軌道構(gòu)成，Bi6s軌道的電子分布處于價帶頂，釩酸鉍的導(dǎo)帶由V3d軌道的電子分布構(gòu)成[27]。釩酸鉍在接受光子激發(fā)后，光生電子躍遷到導(dǎo)帶，空穴留在價帶位置，躍遷到導(dǎo)帶的電子可以參與表面還原反應(yīng)，留在價帶的空穴因其具有強(qiáng)氧化性，能將水分解成氧氣，因此釩酸鉍主要應(yīng)用于光催化水分解產(chǎn)氧氣和光電化學(xué)水分解等方面。圖1.4BiVO4電子結(jié)構(gòu)分布與催化機(jī)理


本文編號：3223753