發(fā)布時間：2017-12-11 20:02

  本文關(guān)鍵詞：三氧化鎢基異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體光催化劑的制備及其光電催化性能研究

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【摘要】：半導(dǎo)體光催化技術(shù)在解決人類面臨的環(huán)境污染和能源緊缺兩大問題上顯示了優(yōu)越的性能。氧化鎢基半導(dǎo)體光催化劑由于具有可見光吸收、易制備等優(yōu)點,一般被應(yīng)用在光催化降解有機染料和裂解水等領(lǐng)域。然而,較低的量子效率,較高的光激載流子復(fù)合幾率等問題限制了氧化鎢在光催化領(lǐng)域的發(fā)展。人們針對優(yōu)化氧化鎢基半導(dǎo)體光催化劑做了大量的研究。其中,通過構(gòu)筑有效的異質(zhì)結(jié)構(gòu),一方面可以在界面處構(gòu)建內(nèi)電場,促進光激電子-空穴對的分離,另一方面可以利用窄帶系半導(dǎo)體敏化寬帶隙半導(dǎo)體,提高光響應(yīng)范圍,因此被認為是一種高效的改性方法。本論文針對氧化鎢基半導(dǎo)體光催化劑在制備和應(yīng)用中面臨的實際問題,采用理論和實驗相結(jié)合的研究方法,構(gòu)建了同質(zhì)異相結(jié)和肖特基結(jié)兩種異質(zhì)結(jié)光催化劑,改善了氧化鎢基半導(dǎo)體光催化劑的光催化和光電催化性能,并進一步揭示了兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的改性機理。一方面,基于氧化鎢在制備中多晶相、易調(diào)控的特點,通過構(gòu)筑同質(zhì)異相結(jié)對其進行改性修飾,并探索形成氧化鎢基同質(zhì)異相結(jié)的微觀機制,揭示了半導(dǎo)體光響應(yīng)能力、電子遷移速率以及能帶匹配之間的關(guān)系。另一方面,通過在氧化鎢薄膜上負載金納米顆粒構(gòu)筑肖特基結(jié),探索金納米顆粒改善氧化鎢光電化學(xué)性能的作用機理,揭示了金納米顆粒的雙作用機制,為進一步設(shè)計新型高效的具有可見光活性的半導(dǎo)體光催化劑提供理論指導(dǎo)。主要研究內(nèi)容以及研究成果如下:第一章的主要內(nèi)容是介紹本論文的研究背景和意義。簡單闡述了半導(dǎo)體光催化技術(shù)的基本原理、存在的問題、主要改性手段以及WO_3基光催化劑的概況。此外,針對不同種類異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑的原理和特點進行了詳細的介紹。最后闡述了本論文的選題思想和主要研究內(nèi)容。第二章我們以構(gòu)筑同質(zhì)異相結(jié)為主要改性手段,針對WO_3在實驗制備過程中多晶相、易調(diào)控的特點,通過構(gòu)筑同質(zhì)異相結(jié)對其進行改性研究,在此基礎(chǔ)上,探索了形成WO_3基同質(zhì)異相結(jié)的微觀機制,揭示了半導(dǎo)體光響應(yīng)能力、電子遷移速率以及能帶匹配三者之間的關(guān)系。XRD測試結(jié)果表明,我們采用一步水熱法,通過調(diào)控反應(yīng)的pH值,成功制備了具有不同晶相組分的WO_3同質(zhì)異相結(jié)光催化劑。SEM和HRTEM測試結(jié)果表明,其主要由六方鎢青銅礦與立方燒綠石結(jié)構(gòu)組成,在該同質(zhì)異相結(jié)中,棒狀的六方相插入了塊狀的立方相中,形成類刺猬狀結(jié)構(gòu)。通過降解水中污染物(RhB)以及光催化裂解水產(chǎn)氧兩個實驗,對制備的光催化劑性能進行了評估。測試結(jié)果表明,WO_3同質(zhì)異相結(jié)光催化劑較單一晶相的WO_3在全光譜和可見光條件下均具有更高的光催化活性。機理分析表明,在同質(zhì)異相結(jié)的界面處形成了有效的內(nèi)建電場,促進了光激電子-空穴對的分離,進而改善了光催化劑的光電化學(xué)性能。我們的研究為合成更高效的WO_3基光催化劑提供了指導(dǎo)。第三章我們以構(gòu)筑肖特基結(jié)為主要改性手段,'針對WO_3基半導(dǎo)體光催化劑空穴易參與反應(yīng)的特點,通過構(gòu)筑Au/WO_3肖特基結(jié)對其進行改性研究,在此基礎(chǔ)上,探索了 Au納米顆粒改善WO_3光電化學(xué)性能的作用機理,揭示了 Au的雙作用機制。XRD、SEM和XPS測試結(jié)果表明,我們采用晶種-水熱法,通過調(diào)控反應(yīng)中的pH值,成功制備了六方相WO_3薄膜,再通過浸漬-煅燒法在WO_3薄膜上負載Au納米顆粒,實現(xiàn)了 Au納米顆粒修飾的WO_3光電極的制備。光電流密度測試結(jié)果表明,WO_3肖特基結(jié)光催化劑具有比單一 WO_3更加優(yōu)異的光電化學(xué)性能。HRTEM和UV-vis測試結(jié)果表明,10-20nm的Au納米顆粒具有表面等離子體共振效應(yīng),可以將Au/WO_3的光吸收范圍擴至700nm。Mott-Schottky曲線和理論計算結(jié)果表明,在Au/WO_3界面處存在一內(nèi)建電場可以促進光激電子-空穴對的分離。機理分析結(jié)果指出,Au/WO_3光電極優(yōu)異的光電化學(xué)性能源于Au納米顆粒的SPR和內(nèi)建電場兩者之間的協(xié)同效應(yīng)。此外,由于Au納米顆粒可能會提供更多光激載流子的復(fù)合位點,因此Au的負載量存在一最優(yōu)值,需要在實驗中合理調(diào)控。我們的研究工作能夠為設(shè)計新型高效的具有可見光活性的半導(dǎo)體光催化劑提供指導(dǎo)。第四章為總結(jié)與展望。總結(jié)本文工作的同時,對后續(xù)擬開展的研究進行了展望。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36

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本文編號：1279710