在光催化過程中,主要包括了光吸收、電荷分離和表面氧化還原反應(yīng)等三個(gè)步驟,其中最為關(guān)鍵的是電荷分離這一步。鐵電材料因具有自發(fā)極化和內(nèi)建電場(chǎng),在光催化中具有極大潛力,然而鐵電光催化劑的電荷分離效率遠(yuǎn)低于預(yù)期,其電荷機(jī)制也鮮有研究,這極大的限制了對(duì)鐵電光催化劑中電荷分離機(jī)制的認(rèn)識(shí)和高效鐵電光催化劑的設(shè)計(jì)。本論文中,我們利用高空間分辨的表面光電壓技術(shù)對(duì)鐵電光催化劑中電荷分離驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了深入研究,并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了高效鐵電光催化劑的設(shè)計(jì)策略。主要內(nèi)容如下所示:(1)利用高空間分辨的表面光電壓技術(shù)證實(shí)了鐵電單疇粒子可以直接將光生電子和空穴分別分離到兩個(gè)對(duì)稱的晶面上。定量研究表明電荷分離驅(qū)動(dòng)力隨著粒子沿著極化方向的厚度的增加而增加:退極化場(chǎng)是單疇鐵電粒子中的主要電荷分離驅(qū)動(dòng)力;退極化場(chǎng)強(qiáng)度在一定尺寸范圍內(nèi)為定值;隨著粒子厚度增大,粒子兩個(gè)面之間的電勢(shì)差也隨之增加,即電荷分離驅(qū)動(dòng)力增加。與此同時(shí),催化劑的光催化活性也提高了近5倍。(2)研究了鐵電/金屬異質(zhì)結(jié),發(fā)現(xiàn)鐵電半導(dǎo)體中的光生電荷在金屬周圍聚集的現(xiàn)象。結(jié)果表明,光生電荷聚集的現(xiàn)象和鐵電/金屬異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘無關(guān),電荷聚集的濃度和氧空位濃度正相關(guān),電荷...

【文章頁數(shù)】：124 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【文章目錄】：
中文摘要
Abstract
第一章 引言
    1.1 研究背景
    1.2 半導(dǎo)體光催化劑中的電荷分離
        1.2.1 半導(dǎo)體光催化劑
        1.2.2 促進(jìn)光生電荷分離的有效手段
    1.3 鐵電光催化劑
        1.3.1 鐵電的基本性質(zhì)
        1.3.2 幾種典型的鈣鈦礦性鐵電材料
        1.3.3 鐵電的極化反轉(zhuǎn)
    1.4 鐵電的光電性質(zhì)
        1.4.1 鐵電異常光伏現(xiàn)象
        1.4.2 金屬/鐵電/金屬結(jié)構(gòu)
        1.4.3 鐵電半導(dǎo)體材料帶隙調(diào)控
        1.4.4 鐵電體光伏效應(yīng)
    1.5 鐵電材料在光催化中的應(yīng)用
        1.5.1鐵電光沉積實(shí)驗(yàn)
        1.5.2 不對(duì)稱沉積助催化劑
        1.5.3 鐵電自發(fā)極化影響表面催化活性
        1.5.4 外加偏壓極化反轉(zhuǎn)促進(jìn)電荷分離
    1.6 時(shí)間分辨表征光催化劑中光生電荷分離
    1.7 空間分辨時(shí)間分辨表征光催化劑中光生電荷分離
        1.7.1 光電化學(xué)成像
        1.7.2 掃描探針技術(shù)
    1.8 空間分辨表面光電壓
        1.8.1 表面光電壓的基本原理
        1.8.2 表面光電壓在光催化體系中的應(yīng)用
    1.9 論文工作設(shè)想
第二章 實(shí)驗(yàn)部分
    2.1 主要試劑
    2.2 表征方法
        2.2.1 掃描電子顯微鏡(SEM)
        2.2.2 透射電子顯微鏡(TEM)
        2.2.3 X射線光電子能譜(XPS)
        2.2.4 X射線粉末衍射(XRD)
        2.2.5 差示掃描量熱儀(DSC)
        2.2.6 原子力顯微鏡(AFM)與開爾文探針顯微鏡(KPFM)
        2.2.7 空間分辨的表面光電壓譜(SRSPS)
        2.2.8 表面光電壓顯微鏡(SPVM)
        2.2.9 導(dǎo)電原子力顯微鏡(C-AFM)
        2.2.10 壓電力顯微鏡(PFM)
        2.2.11 光催化反應(yīng)測(cè)試
        2.2.12 電化學(xué)測(cè)試
        2.2.13 時(shí)間分辨吸收光譜(TAS)
第三章 鐵電光催化劑中內(nèi)部電場(chǎng)對(duì)電荷分離過程的影響
    3.1 研究背景
    3.2 實(shí)驗(yàn)部分
        3.2.1 單疇鈦酸鉛鐵電光催化劑的合成
        3.2.2 光沉積助催化劑
        3.2.3 光催化產(chǎn)氫活性測(cè)試
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 單疇鈦酸鉛(PTO)鐵電粒子
        3.3.2 鈦酸鉛粒子中電荷分離驅(qū)動(dòng)力
        3.3.3 不同厚度的單疇鈦酸鉛粒子
        3.3.4 電荷分離隨粒子厚度變化
        3.3.5 退極化場(chǎng)與電荷分離
        3.3.6 退極化場(chǎng)的強(qiáng)度
        3.3.7 鐵電半導(dǎo)體中的屏蔽場(chǎng)
        3.3.8 屏蔽場(chǎng)的調(diào)控
        3.3.9 鐵電體相電場(chǎng)應(yīng)用于助催化劑不對(duì)稱組裝
    3.4 小結(jié)
第四章 鐵電/金屬界面光生電荷分離的研究
    4.1 研究背景
    4.2 實(shí)驗(yàn)部分
        4.2.1 BTO/Au樣品的制備
        4.2.2 表面電勢(shì)擬合
        4.2.3 穩(wěn)態(tài)電荷密度的計(jì)算
        4.2.4 瞬態(tài)吸收擬合
        4.2.5 導(dǎo)電原子力測(cè)量
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 BTO/Au模型體系
        4.3.2 BTO/Au異質(zhì)結(jié)
        4.3.3 BTO/Au界面空間電荷層定量分析
        4.3.4 內(nèi)建電勢(shì)對(duì)于BTO/Au界面光生電荷聚集的影響
        4.3.5 體光伏效應(yīng)對(duì)光生電荷聚集的影響
        4.3.6 BTO/Au界面處的光生電荷濃度
        4.3.7 BTO/Au的光催化和光電催化活性
        4.3.8 BTO和金界面的尺寸效應(yīng)
        4.3.9 金粒子之間的光生電荷聚集
        4.3.10 鐵電與金屬性透明二維材料
    4.4 小結(jié)
第五章 鐵電光催化中的體光伏效應(yīng)
    5.1 研究背景
    5.2 實(shí)驗(yàn)部分
        5.2.1 光路部分
        5.2.2 數(shù)據(jù)擬合
    5.3 結(jié)果與討論
        5.3.1 體光伏效應(yīng)的基本概念
        5.3.2 區(qū)分彈道傳輸和漂移機(jī)制
        5.3.3 鈦酸鋇鐵電晶體的體光伏效應(yīng)
    5.4 小結(jié)
第六章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 論文不足
    6.3 展望
參考文獻(xiàn)
在學(xué)期間的研究成果
致謝



本文編號(hào)：3778078