晶態(tài)介孔硅球的制備及其光催化性能的研究.pdf

1、半導(dǎo)體材料作為光催化劑，在太陽(yáng)光下進(jìn)行光解水產(chǎn)氫是有效解決全球能源危機(jī)和環(huán)境污染危機(jī)的可持續(xù)發(fā)展道路。研究開(kāi)發(fā)催化效率高、成本低廉且資源含量豐富的催化劑對(duì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)氫來(lái)說(shuō)是重中之重。硅作為地殼中含量最為豐富的半導(dǎo)體，其具有較窄的帶隙可以在可見(jiàn)光下保持較高的活性，因而是利用太陽(yáng)能進(jìn)行光催化產(chǎn)氫最有潛力的材料之一。
　　但是由于硅材料的導(dǎo)帶邊緣與水的還原電勢(shì)差距較小，且在水溶液中會(huì)出現(xiàn)表面氧化，都限制了硅的在光解水領(lǐng)域的應(yīng)用。已知通

2、過(guò)減小材料的晶粒結(jié)晶，可以發(fā)生量子限制效應(yīng)，從而拓寬硅材料的帶隙;提升材料的結(jié)晶性，降低表面缺陷，可以減緩光生載子的復(fù)合;增大材料的比表面積，可以增加材料與溶液的催化面積。因而通過(guò)高結(jié)晶性納米粒子組合構(gòu)筑介孔結(jié)構(gòu)硅材料，是實(shí)現(xiàn)提升硅材料光催化劑的可靠方式。
　　本文使用低溫共熔鹽作為制孔劑，膠態(tài)二氧化硅粒子作為硅源，通過(guò)超聲噴霧法制備出介孔二氧化硅球，然后利用鎂熱還原法將其還原為相應(yīng)的硅材料。SEM、TEM、XRD、氮?dú)馕矫摳降?/p>

3、測(cè)試結(jié)果表明，制備的硅材料呈現(xiàn)富含介孔的球型結(jié)構(gòu)，該球型結(jié)構(gòu)獨(dú)立完整，并且由大量粒徑在20 nm左右的結(jié)晶性硅顆粒交聯(lián)而成;Raman和XPS圖譜證明該介孔硅球中硅氧化合物含量低，表面缺陷少;紫外可見(jiàn)漫反射光譜表明該介孔硅球在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有很好的吸光性，同時(shí)帶隙擴(kuò)寬為1.73 eV。
　　晶態(tài)介孔硅球與商用硅納米粒子進(jìn)行光電流強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果表明，晶態(tài)介孔硅球上的光生電子和空穴可以產(chǎn)生更為明顯的電荷分離效果，從而可以有更多的光生電子

4、用來(lái)將水中的氫離子還原為氫氣。利用可見(jiàn)光進(jìn)行光解水產(chǎn)氫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，晶態(tài)介孔硅球在可見(jiàn)光下的單位產(chǎn)氫速率高達(dá)1785μmol H2 g-1 h-1 Si，同時(shí)在連續(xù)進(jìn)行4個(gè)周期的循環(huán)后，依然可以保持很高的產(chǎn)氫量。對(duì)循環(huán)過(guò)后的樣品進(jìn)行一系列表征，發(fā)現(xiàn)介孔硅球在形貌、物相、表面狀態(tài)等物理性質(zhì)未有顯著改變，證明了利用超聲噴霧法和鎂熱法相結(jié)合制備的介孔硅球十分穩(wěn)定。此外，晶態(tài)介孔硅球在太陽(yáng)光下進(jìn)行光解水產(chǎn)氫的單位速率依然能達(dá)到1167μmol