發(fā)布時間：2018-03-19 00:31

  本文選題：超薄　切入點：二維　出處：《中國科學技術大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：近些年來,由于人類對化石燃料的過度開發(fā)和使用,當今社會面臨著嚴峻的能源與環(huán)境危機。因此,我們亟需開發(fā)新型的環(huán)境友好型能源以實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展。在能源轉換領域中,半導體光催化反應能直接將太陽能轉化為清潔的化學能源,它被認為是一種解決環(huán)境污染與能源危機的有效途徑�；诖�,如何提升半導體材料的光催化效率成為該研究領域的熱點問題。近年來發(fā)展起來的超薄二維納米材料因其獨特的電子與結構優(yōu)勢受到了研究者的廣泛關注,為實現(xiàn)高效的光催化反應帶來了巨大契機。本論文旨在以超薄二維納米材料為基礎建立研究模型,通過調(diào)控材料的電子結構和分析光催化反應中的關鍵影響因素,設計和開發(fā)具有高效光催化性能的半導體材料,為它們在能源轉換領域的實際應用開辟了道路。本論文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面:1.元素摻雜是一種修飾材料電子結構并提高光催化性能的有效途徑。雖然最近有很多關于元素摻雜的報道,但摻雜原子在光催化過程中所扮演的角色并不清楚,在很大程度上限制了元素摻雜的進一步發(fā)展。為此,我們首次合成了具有超薄結構的氧摻雜-ZnIn2S_4納米片光催化劑,并將其作為原型材料建立結構與性能之間的關系,研究摻雜原子在光催化過程中的重要作用。在本章工作中,我們首先建立了 DFT模型來研究摻雜劑對催化劑電子結構的影響,理論計算表明氧摻雜能明顯增加ZnIn2S_4納米片價帶頂附近的電荷密度,這一特征有利于產(chǎn)生更多的電荷直接參加反應,提高光催化產(chǎn)氫的能力。通過超快光譜測試我們進一步發(fā)現(xiàn),氧摻雜可以有效地提高催化中光生電子與空穴的分離效率,其光生載流子的平均壽命提高了 1.53倍。光催化測試結果表明,氧摻雜的超薄ZnIn2S_4納米片具有比未摻雜樣品更高的光催化產(chǎn)氫活性,其產(chǎn)氫速率達到2120 μmol·h~(-1)·g~(-1),為后者的4.5倍。2.在本章工作中,我們提出了一種Ag納米顆粒負載的方法來促進光生電荷轉移,并以Ag-K_4Nb_6O_(17)雜化體系為催化模型深入理解Ag納米顆粒在光催化反應中的重要作用。超快吸收光譜證明Ag納米顆粒能捕獲光生電子,提高光生載流子的遷移速率,促進光催化體系中光生電子與空穴的有效分離。光催化性能測試表明,Ag納米顆粒的負載能顯著提高超薄K_4Nb_6O_(17)納米片的光催化活性,其模擬太陽光照射下的產(chǎn)氫速率相對于單一的K_4Nb_6O_(17)納米片提升了近20倍;可見光照射下的光催化產(chǎn)氫測試證明,Ag-K_4Nb_6O_(17)復合體系中不存在由Ag納米顆粒向超薄K_4Nb_6O_(17)納米片的熱電子注入。進一步的光催化對比實驗顯示,雜化體系能大幅提高產(chǎn)氫活性的主要因素不僅僅是Ag納米顆粒能促進體系中電荷遷移,也包括Ag納米顆粒自身的表面等離子效應所帶來的附加電磁場。本章工作不僅為高效光催化劑的合成提供了一種簡單可靠的途徑,也為理解貴金屬在光催化反應中的重要作用提供了新思路。3.結構扭曲能顯著地改變半導體材料的電子結構,引起光催化材料光吸收和能帶結構的調(diào)整,從而影響其光催化性能。本章工作中,我們提出了一種快速加熱的方法成功地在g-C_3N_4樣品中引入結構扭曲,此方法相對于傳統(tǒng)的熱處理法更加簡單、快速。X射線吸收精細譜測試表明,改變快速加熱的溫度可以有效調(diào)節(jié)樣品中結構扭曲的程度,并且隨溫度提升其扭曲程度逐漸增加。電子順磁共振譜表明,結構扭曲的引入能引起g-C_3N_4樣品的電子重排,這一點能有效降低g-C_3N_4樣品的帶隙寬度,拓寬光吸收范圍。光催化產(chǎn)氫測試表明,結構扭曲的引入能顯著提高g-C_3N_4的光催化活性,在太陽光照射下,g-C_3N_4-700樣品的產(chǎn)氫速率可達255.0μmol·h~(-1),其性能相對于原始g-C_3N_4樣品提升了 3倍。此外,由于具有合適的光吸收和能帶結構排列,g-C_3N_4-700樣品顯示出最高的產(chǎn)氫活性,表明適度的結構扭曲對實現(xiàn)光催化性能的最優(yōu)化非常重要。本工作不僅為理解結構扭曲在光催化反應中的作用建立了定量關系,也為提高材料的光催化活性提供了一條簡單、可行的有效途徑。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36

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本文編號：1632054