光電化學(xué)（PEC）水分解技術(shù)有望解決化石燃料燃燒所引起的全球能源緊缺和氣候變化問(wèn)題。一維TiO2材料由于長(zhǎng)徑比高、電荷轉(zhuǎn)移性能優(yōu)異和比表面積大等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于光電催化領(lǐng)域。但其作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,對(duì)太陽(yáng)能的利用率較低,這使得TiO2的光電轉(zhuǎn)換效率較低�；诖�,本文通過(guò)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)和添加催化劑的方法對(duì)其進(jìn)行改性和修飾,制備出性能優(yōu)異的TiO2基復(fù)合材料,并將其應(yīng)用于光電催化水分解領(lǐng)域。主要研究結(jié)果如下:（1）利用滴涂法結(jié)合水熱法制備出新型TiO2@Co-C3N4納米陣列。其中Co-C3N4納米片通過(guò)一步熱縮聚法合成,通過(guò)XPS,FTIR,EDS和UV-Vis DR等表征方法證明Co原子與g-C3N4成功配位。并通過(guò)改變Co-C3N4的滴涂量調(diào)控TiO2@Co-C3N4的PEC性能,當(dāng)Co-C3N4的負(fù)載量達(dá)到0.75 μg/cm2時(shí),光電催化性能達(dá)到最佳,此時(shí)Co含量為1.47×10-3μg/cm2。研究表明,當(dāng)外加偏壓為1.23 VRHE時(shí),TiO2@Co-C3N4納米陣列的光電流密度最高可達(dá)到1.79 mA/cm2,是TiO2@g-C3N4的2.3倍。且在該偏壓下,持續(xù)光照1... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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二氧化鈦光電催化機(jī)理示意圖

西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4（3）合適的禁帶寬度半導(dǎo)體材料的帶隙寬度決定了PEC水分解反應(yīng)的理論光-氫轉(zhuǎn)換效率。各種半導(dǎo)體材料的能帶水平如圖1.2所示，能帶水平通常隨著溶液pH值的改變而改變[13]。由于水分解的電勢(shì)為1.23V，假設(shè)成功消除了氧和氫逸出的超電勢(shì)，半導(dǎo)體的理想帶隙應(yīng)在1.23eV左右。此時(shí)半導(dǎo)體與水的氧化還原電位完全一致，該帶隙可吸收1000nm的光波。結(jié)合半導(dǎo)體物理性質(zhì)與實(shí)際情況，再通過(guò)Bandgap(eV)=1240/λ(nm)計(jì)算可知，合適的半導(dǎo)體禁帶寬度在1.50~3.10eV之間。圖1.2H2O分解的氧化還原電位與半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系。Figure1.2Relationshipbetweenbandstructureofsemiconductorandredoxpotentialsofwatersplitting.常見(jiàn)的PEC半導(dǎo)體主要包括硫化物、金屬氧化物、鉭酸鹽、鈮酸鹽和鈦酸鹽等[14-19]，但是適合光電催化水分解的高功能材料仍未被發(fā)現(xiàn)�，F(xiàn)有的光電極材料普遍存在穩(wěn)定性差、光電轉(zhuǎn)換效率低和光譜響應(yīng)范圍較窄等問(wèn)題。例如：CdS電極，雖然具有合適的能帶位置和可見(jiàn)光響應(yīng)的帶隙，但不能進(jìn)行水分解反應(yīng)[20]。光生電子更容易氧化CdS中的S2+而不是電解液中的H2O，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為催化劑的光腐蝕。同樣[21]，雖然WO3在Ag+和Fe3+等電子受體存在下，是一種良好的光催化劑，但其導(dǎo)帶能級(jí)較低不利于H2的析出。TiO2作為半導(dǎo)體光電極材料的始祖，因其具有良好的穩(wěn)定性而倍受青睞，但其帶隙較寬，導(dǎo)致它僅能吸收4%~5%的地表太陽(yáng)光,這也是大多數(shù)半導(dǎo)體材料共有的缺陷。因此對(duì)TiO2材料進(jìn)行改性使其滿(mǎn)足上述電極要求對(duì)PEC水分解反應(yīng)刻不容緩。

群屠嘈�、窂摩时间、窂摩�?度和前驅(qū)體的種類(lèi)等水熱條件對(duì)二氧化鈦的形貌和結(jié)構(gòu)有較大影響。但水熱法也存在一些缺點(diǎn)：（1）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)慢，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；（2）納米棒或納米管的長(zhǎng)度較短；（3）納米棒或納米管生長(zhǎng)不均勻。為解決上述問(wèn)題，人們探索了很多方法，如微波輔助水熱法和超聲輔助水熱法。Tang及其課題組[43]用攪拌水熱法制備了無(wú)添加劑的TiO2基納米管電極材料，在1D-TiO2發(fā)展過(guò)程中取得了重大突破。通過(guò)優(yōu)化攪拌速度，獲得了高長(zhǎng)徑比的均勻納米管，該方法可制備用于長(zhǎng)壽命和速充電鋰離子電池的1D-TiO2納米管材料。圖1.3通過(guò)水熱法合成的：（a）納米管，（b）納米棒，（c）納米線，（d）納米帶和（e和f）納米片。Figure1.3(a)Nano-tubes,(b)-rods,(c)-wires,(d)-belts,and(e,f)-sheetssynthesizedbyhydrothermalmethods.1.4.2溶劑熱法溶劑熱法是制備1D-TiO2納米結(jié)構(gòu)的常用方法之一，類(lèi)似于水熱法[44-46]。這兩種方法所選前驅(qū)體類(lèi)似，但是水熱法一般在水溶液中進(jìn)行，而溶劑熱法一般在正己烷、乙二醇、乙醇等有機(jī)溶劑中進(jìn)行。Wang等人[47]通過(guò)控制助溶劑，利用低溫溶劑熱法合成了TiO2單晶納米線和多晶納米管。所制備的1D-TiO2納米結(jié)構(gòu)作為鋰離子電池的負(fù)極材料

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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