本文關(guān)鍵詞：納米Ag修飾多級硅光電極的制備及其光電催化脫氯性能

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【摘要】：光催化技術(shù)是環(huán)境污染控制領(lǐng)域最具發(fā)展前景的新技術(shù)之一。該技術(shù)利用光子誘導(dǎo)的強(qiáng)氧化性空穴或羥基自由基(·OH)分解有毒有害污染物,具有可利用太陽能、環(huán)境友好和無選擇性等優(yōu)點。Ti02是研究最廣泛的光催化材料,其禁帶寬度為3.2 eV,只能吸收占太陽光譜5%的紫外光,而且光生電荷復(fù)合率高導(dǎo)致量子效率低,使其難以高效利用太陽能,也制約了該技術(shù)的實際應(yīng)用。因此,拓展吸收光譜范圍和抑制光生電荷復(fù)合是光催化技術(shù)研究的重要方向。硅的禁帶寬度為1.12 eV,能吸收1100 nm以下的太陽光。構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是提高光生電荷分離效率的有效途徑。因此設(shè)計新型硅基異質(zhì)結(jié)光催化材料有望解決上述問題。硅材料在污染控制領(lǐng)域應(yīng)用面臨的主要問題是容易與水或氧氣反應(yīng)導(dǎo)致氧化鈍化,另外如何減少對光的反射也是提高硅材料光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。針對上述問題,本論文通過制備多級結(jié)構(gòu)減少硅材料對光的反射,進(jìn)一步通過在多級硅表面負(fù)載納米Ag構(gòu)建異質(zhì)結(jié)以提高電荷分離效率并阻止硅與水或氧的接觸從而抑制鈍化,最終實現(xiàn)對太陽光的高效利用和促進(jìn)光催化技術(shù)向?qū)嵱没l(fā)展。研究工作主要包括如下內(nèi)容：(1)采用金屬輔助無電化學(xué)刻蝕法制備多級結(jié)構(gòu)硅納米材料。掃描電鏡(SEM)觀察到硅柱(Silicon micropillar, SiMP)陣列表面均勻地分布著長度均一、排列整齊的硅納米線(Silicon nanowire, SiNW) 。光照下的線性循環(huán)伏安測試結(jié)果表明,刻蝕時間為25 min的SiNW/SiMP在-1V時的光電流密度為-31 mA-cm-2(vs SCE),大于刻蝕時間為5、10、15、20和30min的其他樣品。循環(huán)伏安測試結(jié)果顯示,制備出來的SiNW/SiMP在水溶液中不穩(wěn)定,光電流隨時間衰減,這是由于硅被水和溶解氧氧化成絕緣的Si02所致。SiNW/SiMP電極對4-氯酚的光電催化脫氯效率達(dá)到85%,分別是電催化過程和光催化過程去除率的3.3倍和1.5倍,是SiMP(60%)的1.4倍,表現(xiàn)出良好的光電催化性能。(2)為改善SiNW/SiMP在水溶液中的穩(wěn)定性,采用無電化學(xué)沉積的方法在其表面沉積Ag納米顆粒。采用SEM、X射線衍射和能量彌散X射線確認(rèn)了SiNW/SiMP表面存在Ag納米顆粒。測試Ag沉積時間分別為1、3和5 min的樣品的循環(huán)伏安和線性伏安,發(fā)現(xiàn)隨著沉積時間的延長,光電流先增加后減小,電化學(xué)穩(wěn)定性顯著改善。沉積時間為3 min的Ag/SiNW/SiMP樣品十個循環(huán)中光電流保持不變,為-37.5mA·cm-2,超過3min后,雖然穩(wěn)定性仍然很好但是光電流減弱。這一變化規(guī)律可以解釋為過多的Ag阻礙了硅對入射光的吸收。(3)以4-氯酚為目標(biāo)物評估Ag/SiNW/SiMP在水溶液中光電催化脫鹵性能。六次重復(fù)實驗結(jié)果表明,Ag/SiNW/SiMP電極能夠在水溶液中長時間穩(wěn)定地輸出光電流。反應(yīng)1小時后,光電催化過程脫氯效率達(dá)到95%,分別是電催化過程(38%)和光催化過程(66%)的2.4倍和1.4倍。Ag/SiNW/SiMP對4-氯酚的動力學(xué)常數(shù)為0.104 min-1,分別是SiNW/SiMP電極(0.033 min-1)和SiMP電極(0.013 min-1)的3.2倍和8倍,表現(xiàn)出優(yōu)良的光電催化還原脫氯性能。這是由于Ag與硅界面處的內(nèi)建電場促進(jìn)了光生電子與空穴的分離,使更多的光生電子參與到脫氯的反應(yīng)中去,從而提高光電催化脫氯的效果。綜上,本論文描述的Ag/SiNW/SiMP能夠借助Ag的保護(hù)作用克服Si的鈍化,利用Ag與Si內(nèi)建電場促進(jìn)電荷分離,利用SiNW/SiMP結(jié)構(gòu)減少光的反射以及增大與污染物接觸面積,從而實現(xiàn)充分利用太陽光分解環(huán)境污染物。這一成果有助于推進(jìn)光催化技術(shù)實用化的進(jìn)程。
【關(guān)鍵詞】：多級硅 納米Ag 異質(zhì)結(jié) 光電催化 脫氯
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O643.3;X505
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-13
• 1 硅納米材料在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展13-31
• 1.1 光催化污染控制的研究現(xiàn)狀13-17
• 1.1.1 光催化技術(shù)的原理及其研究現(xiàn)狀13-14
• 1.1.2 光催化技術(shù)存在的主要問題14-15
• 1.1.3 光催化能量效率提高的途徑15-17
• 1.2 硅納米材料的優(yōu)勢、主要問題及對策17-22
• 1.2.1 硅納米材料的優(yōu)勢17-19
• 1.2.2 硅納米材料存在的主要問題19-20
• 1.2.3 硅納米材料的保護(hù)方法20-22
• 1.3 硅納米材料制備方法22-25
• 1.3.1 硅量子點制備方法22-23
• 1.3.2 硅納米線制備方法23-24
• 1.3.3 硅納米管制備方法24
• 1.3.4 多孔硅制備方法24-25
• 1.3.5 硅薄膜制備方法25
• 1.4 硅納米材料在環(huán)境及清潔能源領(lǐng)域中的應(yīng)用25-27
• 1.4.1 光催化降解污染物25-26
• 1.4.2 光催化產(chǎn)氫26-27
• 1.4.3 鋰離子電池及生物燃料電池27
• 1.5 異質(zhì)結(jié)理論概述27-29
• 1.5.1 異質(zhì)結(jié)用于光催化的機(jī)理27-28
• 1.5.2 異質(zhì)結(jié)的類型28-29
• 1.6 選題的背景、目的、內(nèi)容和意義29-31
• 1.6.1 選題的背景及目的29
• 1.6.2 研究內(nèi)容29-30
• 1.6.3 研究意義30-31
• 2 多級硅的制備及其光電催化性能31-42
• 2.1 實驗部分31-35
• 2.1.1 實驗試劑31
• 2.1.2 實驗儀器31-32
• 2.1.3 實驗材料32
• 2.1.4 SiMP的制備32-33
• 2.1.5 SiNW/SiMP的制備33-34
• 2.1.6 SiNW/SiMP的表征34-35
• 2.2 結(jié)果與討論35-39
• 2.2.1 SiNW/SiMP的形貌表征35-37
• 2.2.2 光吸收性能表征37-38
• 2.2.3 光電化學(xué)性質(zhì)38-39
• 2.3 光電催化降解實驗39-41
• 2.4 本章小結(jié)41-42
• 3 Ag/SiNW/SiMP電極的制備及其光電催化脫氯性能42-56
• 3.1 實驗部分42-44
• 3.1.1 實驗試劑42
• 3.1.2 實驗儀器42-43
• 3.1.3 制備過程43
• 3.1.4 表征方法43-44
• 3.2 結(jié)果與討論44-47
• 3.2.1 形貌觀察44-45
• 3.2.2 成分分析45-46
• 3.2.3 光電化學(xué)性質(zhì)測試46-47
• 3.3 光電催化脫氯實驗47-54
• 3.3.1 光電催化性能47-52
• 3.3.2 降解機(jī)理探討52-54
• 3.4 本章小結(jié)54-56
• 結(jié)論56-57
• 參考文獻(xiàn)57-64
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況64-65
• 致謝65-66

【參考文獻(xiàn)】

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 蘇景揚;有序硅納米材料的制備及其穩(wěn)定高效的光催化性能[D];大連理工大學(xué);2012年

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本文編號：638762