氧化物納米材料的合成、表征及光催化應用研究.pdf

1、ZnO、Zn<,2>SnO<,4> 和TiO<,2>體系的納米材料均為寬禁帶半導體，具有原料豐富、價格便宜、制作簡單、環(huán)保無毒和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可用于光催化和染料敏化太陽能電池等領域，受到人們的廣泛關注。雖然人們已經(jīng)開展了大量的工作并取得了長足的進步，但如何實現(xiàn)納米材料在成份和微結構上可控制備，發(fā)掘納米材料中新的物理化學現(xiàn)象，并使其獲得實際應用依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本論文以ZnO、Zn<,2>SnO<,4>和 TiO<,2>體系的納米材

2、料為主要研究對象，系統(tǒng)地開展了一維和三維納米結構的可控制備和表征工作；在此基礎上，還研究了這些材料的光催化特性，初步探索了其在有機污染物光降解和染料敏化太陽能電池光電極方面的應用。通過大量的實驗和分析，我們?nèi)〉昧艘恍┯幸饬x的結果，具體包括以下幾個方面： 1.ZnO和 Zn<,2>SnO<,4>體系納米線的合成及光催化研究 (1) 利用氣相蒸發(fā)方法成功制備出Zn<,2>SnO<,4>納米線、ZnO 納米線和ZnO-Zn<,

3、2>SnO<,4>混合納米線。實驗表明，通過調節(jié)實驗條件，可以在150～500 nm范圍內(nèi)可控地獲得不同平均直徑的納米線。 (2) 對獲得的納米線進行了成分和結構表征，證明了Zn<,2>SnO<,4>納米線為具有沿[111]長軸方向生長的尖晶石結構，其中存在大量Zn和O空位；ZnO納米線為沿[0110]長軸方向生長的纖鋅礦結構；ZnO-Zn<,2>SnO<,4> 納米線為由Zn<,2>SnO<,4>納米線和ZnO納米線組成的混合

4、物。實驗獲得的所有納米線都具有較光滑的表面和均勻的直徑。 (3) 利用MO為模擬污染物，評估了所制備的納米線光降解有機物的催化活性。發(fā)現(xiàn)ZnO-Zn<,2>SnO<,4>混合納米線具有較高的光催化性能。實驗還證明了較小直徑的納米線具有更高的光催化活性。通過系統(tǒng)的對比實驗，我們給出了最佳的光催化條件為ZnO-Zn<,2>SnO<,4>混合納米線的混合比例為5:1，催化劑濃度為0.5g/L，這時的光催化降解常數(shù)可達到0.146 h<

5、'-1>。 (4) 對納米線的光催化活性機理進行了探討。通過對實驗結果進行綜合分析，我們認為在ZnO-Zn<,2>SnO<,4>混合納米線體系中，ZnO和Zn<,2>SnO<,4>之間可以通過異質結發(fā)生電荷轉移，促進電子空穴的有效分離，從而增強光催化效率。另一方面，我們還認為減小納米線的直徑除了可以增大催化劑的比表面積外，還有利于降低e<'->和h<'+>的復合幾率，這同樣對提高光催化效率有重要的促進作用。 2．納米結構

6、蒲公英狀TiO<,2>微球的制備及性能研究 (1) 利用簡單的水熱法成功地合成了具有納米結構的三維蒲公英狀TiO<,2>微球粉體，產(chǎn)率可達90％以上。這種三維蒲公英狀TiO<,2>微球具有分級結構，整個球體的直徑約為1.5～2微米。每個球體由截面為正方形，延[001]方向生長的納米短棒呈放射狀聚集而成： (2) 分析了三維蒲公英狀微球生長的機制，并提出了一種新的[Ti<'3+>]的氧化機理：我們認為在水熱法合成過程中，除

7、了高壓釜內(nèi)的少量O<,2>外，溶液中的部分[H<'+>]離子也充當了氧化劑角色，使得[Ti<'3+>]氧化并最終形成TiO<,2>。 (3) 利用MO為模擬污染物，對不同pH值溶液中獲得的TiO<,2>的光催化活性進行了研究。發(fā)現(xiàn)蒲公英狀TiO<,2>表現(xiàn)出與商品P25 TiO<,2>粉同樣優(yōu)異的光催化性能。我們認為，這種高的光催化效率來源于蒲公英狀TiO<,2>的分級結構。這種分級結構在保留了納米材料大的比表面積的同時，還能夠

8、為污染物分子的擴散提供分級通道。 3．染料敏化太陽能電池光電極的制備和性能研究 (1) 用水熱合成法獲得的TiO<,2>納米顆粒樣品制備了染料敏化太陽能電池的光電極，所得到的光電極與用商品P25 TiO<,2>粉制得的光電極性能接近。研究了 TiO<,2>光電極的厚度對太陽能電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)光電極的TiO<,2>膜層厚度存在著一個最佳值。 (2) 研究了用一維TiO<,2>納米線和三維蒲公英狀TiO<,2>制