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等三個步驟,其中最為關鍵的是電荷分離這一步。鐵電材料因具有自發(fā)極化和內建電場,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低于預期,其電荷機制也鮮有研究,這極大的限制了對鐵電光催化劑中電荷分離機制的認識和高效鐵電光催化劑的設計。本論文中,我們利用高空間分辨的表面光電壓技術對鐵電光催化劑中電荷分離驅動力進行了深入研究,并在此基礎上發(fā)展了高效鐵電光催化劑的設計策略。主要內容如下所示:(1)利用高空間分辨的表面光電壓技術證實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對稱的晶面上。定量研究表明電荷分離驅動力隨著粒子沿著極化方向的厚度的增加而增加:退極化場是單疇鐵電粒子中的主要電荷分離驅動力;退極化場強度在一定尺寸范圍內為定值;隨著粒子厚度增大,粒子兩個面之間的電勢差也隨之增加,即電荷分離驅動力增加。與此同時,催化劑的光催化活性也提高了近5倍。(2)研究了鐵電/金屬異質結,發(fā)現(xiàn)鐵電半導體中的光生電荷在金屬周圍聚集的現(xiàn)象。結果表明,光生電荷聚集的現(xiàn)象和鐵電/金屬異質結的勢壘無關,電荷聚集的濃度和氧空位濃度正相關,電荷...

【文章頁數(shù)】：124 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
中文摘要
Abstract
第一章 引言
    1.1 研究背景
    1.2 半導體光催化劑中的電荷分離
        1.2.1 半導體光催化劑
        1.2.2 促進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
        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
    1.4 鐵電的光電性質
        1.4.1 鐵電異常光伏現(xiàn)象
        1.4.2 金屬/鐵電/金屬結構
        1.4.3 鐵電半導體材料帶隙調控
        1.4.4 鐵電體光伏效應
    1.5 鐵電材料在光催化中的應用
        1.5.1鐵電光沉積實驗
        1.5.2 不對稱沉積助催化劑
        1.5.3 鐵電自發(fā)極化影響表面催化活性
        1.5.4 外加偏壓極化反轉促進電荷分離
    1.6 時間分辨表征光催化劑中光生電荷分離
    1.7 空間分辨時間分辨表征光催化劑中光生電荷分離
        1.7.1 光電化學成像
        1.7.2 掃描探針技術
    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用
    1.9 論文工作設想
第二章 實驗部分
    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 光催化反應測試
        2.2.12 電化學測試
        2.2.13 時間分辨吸收光譜(TAS)
第三章 鐵電光催化劑中內部電場對電荷分離過程的影響
    3.1 研究背景
    3.2 實驗部分
        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 光催化產氫活性測試
    3.3 結果與討論
        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動力
        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 退極化場與電荷分離
        3.3.6 退極化場的強度
        3.3.7 鐵電半導體中的屏蔽場
        3.3.8 屏蔽場的調控
        3.3.9 鐵電體相電場應用于助催化劑不對稱組裝
    3.4 小結
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 實驗部分
        4.2.1 BTO/Au樣品的制備
        4.2.2 表面電勢擬合
        4.2.3 穩(wěn)態(tài)電荷密度的計算
        4.2.4 瞬態(tài)吸收擬合
        4.2.5 導電原子力測量
    4.3 結果與討論
        4.3.1 BTO/Au模型體系
        4.3.2 BTO/Au異質結
        4.3.3 BTO/Au界面空間電荷層定量分析
        4.3.4 內建電勢對于BTO/Au界面光生電荷聚集的影響
        4.3.5 體光伏效應對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
        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
第五章 鐵電光催化中的體光伏效應
    5.1 研究背景
    5.2 實驗部分
        5.2.1 光路部分
        5.2.2 數(shù)據擬合
    5.3 結果與討論
        5.3.1 體光伏效應的基本概念
        5.3.2 區(qū)分彈道傳輸和漂移機制
        5.3.3 鈦酸鋇鐵電晶體的體光伏效應
    5.4 小結
第六章 結論與展望
    6.1 結論
    6.2 論文不足
    6.3 展望
參考文獻
在學期間的研究成果
致謝



本文編號：3778078