發(fā)布時(shí)間：2022-02-15 09:24

　　隨著科技的進(jìn)步,利用半導(dǎo)體光催化劑將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能來解決能源危機(jī)已經(jīng)受到了研究者的廣泛關(guān)注。對(duì)于半導(dǎo)體光催化劑來說,光解水產(chǎn)氫性能的影響因素主要包括三個(gè)方面:光的吸收效率、光生電荷的分離和復(fù)合,以及半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)。其中太陽光的捕獲效率和光生電子-空穴的復(fù)合將直接決定其光催化反應(yīng)效率的高低。因此,提高光催化劑對(duì)太陽光的吸收效率、降低光生電子-空穴的復(fù)合成為了解決問題的關(guān)鍵。研究者發(fā)現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)所特有的慢光子效應(yīng)可以有效的提高光催化劑的光催化性能。原因是反蛋白石光子晶體結(jié)構(gòu)不僅有較大的介質(zhì)折射率,可以產(chǎn)生全向光子帶隙,而且具有較高的比表面積,有利于和反應(yīng)物質(zhì)的接觸。然而,光子晶體結(jié)構(gòu)在光催化反應(yīng)中仍然存在一些問題:通常光子晶體以薄膜或塊體的形式存在,對(duì)入射光角度具有依賴性,嚴(yán)重減弱了反應(yīng)中材料的光催化效率。針對(duì)上述問題,本論文利用微流控技術(shù)設(shè)計(jì)合成了球形的二氧化鈦反蛋白石光子晶體結(jié)構(gòu)（IO-TiO₂-S）。球形結(jié)構(gòu)光子晶體能夠在光催化反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)非定向慢光子效應(yīng),可以解決光催化反應(yīng)中薄膜或塊狀光子晶體對(duì)入射光角度的依賴性。具體工作如下:1.本章經(jīng)過前期一系... 

【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省211工程院校教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

常見半導(dǎo)體光催化劑的導(dǎo)帶價(jià)帶位置和光解水反應(yīng)中的氧化還原電位[8]

3在自然界中，二氧化鈦主要有四種晶體結(jié)構(gòu)：銳鈦礦、金紅石、板鈦礦和TiO2(B)，四種TiO2晶型均由TiO6八面體組成，但是八面體單元的變形不同，分別以不同的方式共享邊和角，如圖1-2所示。對(duì)于銳鈦礦，八面體呈鋸齒形排列，沿(221)面公用四條邊；而金紅石晶和板鈦礦結(jié)構(gòu)由八面體通過共頂點(diǎn)和共邊的方式組成[9,10]；TiO2(B)主要來源于層狀鈦酸鹽，因此，TiO2(B)的結(jié)構(gòu)與層狀鈦酸鹽相似，這種層狀結(jié)構(gòu)是由邊和角公用組成的TiO6八面體[11]。這些晶格結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了不同晶型二氧化鈦質(zhì)量密度和電子帶結(jié)構(gòu)的差異。熱力學(xué)上，金紅石相最穩(wěn)定，其他三相均為亞穩(wěn)態(tài)，在高溫下退火后均可得到金紅石相。圖1-2二氧化鈦在不同相中的晶體結(jié)構(gòu):(a)銳鈦礦,(b)金紅石,(c)板鈦礦,和(d)TiO2(B)[12]Figure1-2CrystallinestructuresofTiO2indifferentphases:(a)anatase,(b)rutile,(c)brookite,and(d)TiO2(B)[12]由于其不同的物理/化學(xué)性質(zhì)不同形式的二氧化鈦已經(jīng)應(yīng)用在了不同領(lǐng)域[13-15]，最廣泛的研究仍然是用作太陽能轉(zhuǎn)換材料。不同形式的二氧化鈦的光催

4化活性不同，應(yīng)用最多的是銳鈦礦相和金紅石相二氧化鈦。由于晶格結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致不同的帶隙：銳鈦礦3.20eV對(duì)應(yīng)于384nm，金紅石3.02eV對(duì)應(yīng)于410nm。這使得銳鈦礦比金紅石具有略高的氧化還原能力，盡管前者的光吸收范圍略小于后者。與金紅石相比，銳鈦礦相還具有更多的活性位點(diǎn)（例如氧空位），更有利于反應(yīng)的進(jìn)行。由于銳鈦礦的這些優(yōu)點(diǎn)，它通常在反應(yīng)中顯示出比金紅石高得多的光催化活性。1.2.2光催化產(chǎn)氫原理從熱力學(xué)角度考慮，光解水產(chǎn)氫過程是一個(gè)吉布斯自由能增大的反應(yīng)（=+273.2kJ/mol）。因此，光解水反應(yīng)的半導(dǎo)體材料滿足兩個(gè)熱力學(xué)條件：一是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度要大于1.23eV（水的分解電壓）。研究發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體禁帶寬度在1.5~2.5eV之間的光催化材料最適合用于光解水產(chǎn)氫。二是半導(dǎo)體的導(dǎo)帶位置要高于H+/H2的還原電位，而價(jià)帶位置要低于O2/H2O的氧化電位，此時(shí)半導(dǎo)體吸收能量大于等于禁帶寬度的光輻射，電子從價(jià)帶位置躍遷至導(dǎo)帶，相應(yīng)地在價(jià)帶位置產(chǎn)生空穴。圖1-3半導(dǎo)體光催化劑光解水反應(yīng)示意圖Figure1-3Schematicillustrationofphotocatalyticwatersplittingoverasemiconductorphotocatalyst


本文編號(hào)：3626371