新型納米結(jié)構(gòu)光催化劑的制備及其光催化性能研究.pdf

1、自從20世紀(jì)70年代以來，不斷惡化的環(huán)境污染和能源短缺問題已經(jīng)讓人們意識(shí)到一個(gè)潛在的全球性危機(jī)。為了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境治理的無污染技術(shù)和可替代的清潔能源供應(yīng)的發(fā)展是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。其中在各類正在進(jìn)行的綠色地球和可再生能源項(xiàng)目中，半導(dǎo)體光催化已經(jīng)成為最有前景的技術(shù)之一，因?yàn)樗且环N利用自然光或人工室內(nèi)照明能量簡(jiǎn)單既節(jié)能又環(huán)保的方法，在全球各個(gè)地方都可以應(yīng)用。光催化的潛在應(yīng)用主要分布在以下領(lǐng)域，如光解水產(chǎn)氫，光分解或光氧化污染物，人

2、工光合成，光電化學(xué)轉(zhuǎn)換等。然而，傳統(tǒng)光催化材料的太陽光利用率和光催化活性較低，滿足不了實(shí)際應(yīng)用的需求。因此開發(fā)新型高效穩(wěn)定的半導(dǎo)體光催化劑已成為半導(dǎo)體光催化材料發(fā)展的趨勢(shì)，也是環(huán)境治理修復(fù)的迫切需求。納米半導(dǎo)體光催化材料是將納米材料應(yīng)用于半導(dǎo)體光催化領(lǐng)域，由于納米材料具有很多特殊性質(zhì)如高比表面積、高反應(yīng)活性、容易分散、快速擴(kuò)散等，與宏觀大尺寸塊體半導(dǎo)體光催化材料相比，納米半導(dǎo)體光催化材料表現(xiàn)出非常高效的光催化活性。同時(shí)，納米材料的物理和

3、化學(xué)性質(zhì)不僅取決于它們的化學(xué)成分，而且和它們的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其中包括相、尺寸、尺寸分布、形態(tài)、表面結(jié)構(gòu)和維度。因此，設(shè)計(jì)新型具有理想的形貌，可控的尺寸，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的納米光催化材料必然會(huì)具有高效和穩(wěn)定的光催化性能，這為設(shè)計(jì)新型高效穩(wěn)定納米半導(dǎo)體光催化劑體系提供了廣闊的思路。
　　本論文通過水熱法、化學(xué)沉淀法、微波水熱法、化學(xué)刻蝕等納米材料的制備方法成功構(gòu)筑了一系列新型納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光催化劑，這些納米光催化材料由于其特殊的納米結(jié)構(gòu)表

4、現(xiàn)出了優(yōu)越的光催化性能。通過一系列的表征方法對(duì)材料的晶相、形貌、微結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)態(tài)和光學(xué)性能等進(jìn)行了分析；利用表征技術(shù)和理論計(jì)算等方法分析了材料的結(jié)構(gòu)包括形貌結(jié)構(gòu)、電子能級(jí)結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)等與高效的光催化降解的性能之間的相關(guān)性。主要內(nèi)容如下：
　?。?）通過水熱的方法首次成功合成了自組裝的三維分級(jí)束狀Nb3O7(OH)納米結(jié)構(gòu)，這種分級(jí)納米結(jié)構(gòu)由六向整齊的納米棒組裝成的納米束狀構(gòu)成，具有高的比表面積77 m2 g?1。Nb3O7(O

5、H)納米結(jié)構(gòu)的形成則是奧斯特瓦爾德熟化過程和自組裝過程的協(xié)同效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果。通過理論計(jì)算分析了 Nb3O7(OH)的能帶結(jié)構(gòu)，價(jià)帶和導(dǎo)帶均是由N4d和O2p軌道構(gòu)成。該三維分級(jí)納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高效的降解RhB的光催化性能和良好的循環(huán)使用穩(wěn)定性，這歸因于其獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)、高的比表面和能級(jí)結(jié)構(gòu)的雜化，這些有利因素會(huì)增加光的吸收利用率，能夠產(chǎn)生更多的活性位點(diǎn)，促進(jìn)光生電子和空穴的生成和有效分離，從而提高光催化活性。
　　（2）通過一個(gè)簡(jiǎn)單

6、和溫和的方法成功合成了自穩(wěn)定型的AgC l@Ag凹立方塊結(jié)構(gòu)。瓊脂凝膠生物材料用于減緩反應(yīng)速率，提供一個(gè)溫和的反應(yīng)基質(zhì)來調(diào)節(jié)反應(yīng)物離子的擴(kuò)散和限制生成物AgC l@Ag的長(zhǎng)大。制備得到AgC l@Ag凹立方塊結(jié)構(gòu)在降解MO過程中表現(xiàn)出高效的光催化活性和穩(wěn)定性，這歸因于AgC l表面的Ag納米顆粒的SPR效應(yīng)和AgC l對(duì)表面Ag納米顆粒電荷分布極化效應(yīng)的兩種機(jī)制協(xié)同作用：Ag納米顆粒的SPR效應(yīng)在可見光區(qū)域的強(qiáng)吸收；電荷分布極化使光電電

7、子遠(yuǎn)離AgCl有效地促進(jìn)了光生載流子分離同時(shí)避免Ag+被還原增強(qiáng)了穩(wěn)定性。
　?。?）通過微波輔助快速加熱一步法成功合成了由納米片自組裝構(gòu)筑的分級(jí)花狀BiO1.84H0.08納米結(jié)構(gòu)。所制備的分級(jí)花狀BiO1.84H0.08納米結(jié)構(gòu)具有高的比表面積113 m2 g?1。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度和反應(yīng)物濃度，可以調(diào)控生成BiO1.84H0.08納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)。作為一種新的催化劑，分級(jí)花狀 BiO1.84H0.08納米結(jié)構(gòu)由于高比表面積和表面

8、官能團(tuán)–OH的存在在紫外可見光下表現(xiàn)出高效的降解RhB的光催化活性。
　　（4）通過以KOH作為活化劑對(duì)塊狀g-C3N4進(jìn)行熱處理刻蝕成功制備了分級(jí)多孔的 g-C3N4，具有高的孔隙率和比表面，而且具有介孔和大孔的分級(jí)孔徑分布。與塊狀 g-C3N4相比較，制備得到的多孔 g-C3N4在降解 RhB中表現(xiàn)出大幅度提高的光催化活性，并且該分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的g-C3 N4表現(xiàn)出很好的循環(huán)使用穩(wěn)定性。分級(jí)多孔g-C3N4納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的光催化