納米半導(dǎo)體材料的制備及其光催化應(yīng)用研究.pdf

1、納米材料的基礎(chǔ)科學(xué)研究和潛在應(yīng)用價(jià)值使其獲得了廣泛的關(guān)注。因?yàn)榧{米尺寸的材料具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)，所以納米材料展示了不同于塊體材料的光學(xué)、磁性和熱學(xué)性能。
　　最近，在模擬太陽光下和包括太陽光中主要能量的可見光下研究光催化劑用于環(huán)境治理和新能源開發(fā)引起了人們的廣泛興趣。在太陽光下，光催化劑不僅能降解有機(jī)物，也能光催化產(chǎn)氫，因此，光催化在解決環(huán)境問題和能源危機(jī)方面將會(huì)發(fā)揮巨大的作用。為了增強(qiáng)光催化活性

2、和充分利用太陽光，許多的科學(xué)家致力于研究窄帶隙的金屬半導(dǎo)體。所以，有必要研究擴(kuò)展到可見光吸收邊的有著高活性的和太陽光響應(yīng)的光催化劑。然而，在模擬太陽光下，限制的光催化活性是光催化劑的主要缺點(diǎn)，這也限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。所以，提高光催化劑的活性是至關(guān)重要的。
　　Bi2O3是一種n型寬禁帶金屬氧化物半導(dǎo)體，其禁帶寬度為3.5eV，因?yàn)锽i2O3的寬禁帶和快速的光生電子和空穴復(fù)合，它的光催化應(yīng)用還比較少。所以，通過不同的方式，包括復(fù)合

3、摻雜等，來縮減禁帶寬度非常必要。到目前為止，還沒有關(guān)于用其他半導(dǎo)體或者金屬摻雜來修飾Bi2O3來提高其光催化活性的研究報(bào)道。
　　除此之外，Cu2O是一種重要的p型窄帶隙(Eg=2.0eV)太陽光響應(yīng)半導(dǎo)體。Cu2O被認(rèn)為是一種最具有潛在應(yīng)用價(jià)值的光催化劑。然而，形貌和結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)于Bi2O3和Cu2O的光催化活性的影響還沒有被詳細(xì)研究。CdS是一種重要的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體，其波爾半徑為2.4nm。硫化鎘合適的禁帶寬度和優(yōu)良的光學(xué)透射比使

4、其成為一種優(yōu)良的光催化劑。并且，現(xiàn)在也有許多的文章介紹硫化鎘在光催化降解有機(jī)物方面的應(yīng)用?？墒牵捎诘偷牧孔有屎凸飧g性限制了硫化鎘的實(shí)際應(yīng)用。因此，改善這種光催化劑的活性也非常重要。
　　在本論文中，我們不僅研究建構(gòu)和合成了納米結(jié)構(gòu)和納米材料，也研究納米結(jié)構(gòu)和納米材料在光催化方面的性質(zhì)和應(yīng)用。主要包括三個(gè)部分。首先，我們通過簡(jiǎn)單的水熱法合成了有著不同形貌和結(jié)構(gòu)的Bi2O3/Cu2O復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，探究了在太陽光和可見光下的光催化

5、活性。第二，通過相同的方法合成了摻雜的Bi2O3（Cu摻雜Bi2O3納米片，Mo摻雜Bi2O3納米網(wǎng)，In摻雜Bi2O3納米顆粒），并研究了摻雜Bi2O3的光催化活性。第三，In摻雜Bi2O3展示了非常有趣的光學(xué)性能。
　　詳細(xì)內(nèi)容如下:
　　有著不同形貌和結(jié)構(gòu)的Bi2O3/Cu2O納米花復(fù)合物通過低溫水熱法合成。樣品通過XRD，SEM，TEM，UV-Vis和BET表征，光催化活性通過在模擬太陽光下降解羅丹明B來衡量。結(jié)果證

6、明，合成樣品是單斜相的，并且結(jié)晶性很好，煅燒后，δ-Bi2O3相轉(zhuǎn)變?yōu)锽i2O3，Bi2O3/Cu2O也被合成，并且合成樣品的禁帶寬度從3.55eV降低到2.71eV，花狀樣品的光催化活性順序?yàn)锽i2O3/Cu2O＞δ-Bi2O3＞Bi2O3。晶相和電子結(jié)構(gòu)對(duì)于Bi2O3/Cu2O復(fù)合物的具有光催化協(xié)同效應(yīng)，提高的光催化活性也可以歸結(jié)于小的禁帶寬度、高的結(jié)晶度和獨(dú)特的隧道微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)際上，活性增強(qiáng)也來源于復(fù)合結(jié)構(gòu)的特殊電子結(jié)構(gòu)，該特殊的

7、電子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了光生電子的有效遷移。
　　通過簡(jiǎn)單水熱方法合成的金屬離子摻雜Bi2O3納米結(jié)構(gòu)是一新系列的太陽光響應(yīng)光催化劑。結(jié)果證明，通過漫反射光譜測(cè)量的不同金屬離子摻雜的樣品帶邊吸收移動(dòng)到長(zhǎng)波部分，并且擴(kuò)展吸收到了可見光區(qū)域。摻雜的Cu2+，Mo6+和In3+取代了晶格中的Bi，Cu、Mo和In摻雜的Bi2O3納米片、納米網(wǎng)和納米顆粒都擁有較好的性能。
　　In摻雜CdS通過相同的方法被合成，樣品的光催化活性通過降解羅丹明

8、B測(cè)試，同時(shí)也與純CdS作為對(duì)比研究。結(jié)果證明，所有的合成樣品擁有很好的結(jié)晶度，In3+/Cd2+的摩爾比例對(duì)于樣品的形貌和光催化活性有很大的影響。In摻雜CdS與純CdS相比，表現(xiàn)出增強(qiáng)的光催化活性。對(duì)于合成樣品的羅丹明B光催化機(jī)理:光生空穴和電子起主要作用，羥基自由基的貢獻(xiàn)不大，因此，在降解羅丹明B時(shí)，空穴和電子也許沒有轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基自由基。樣品的高的光催化活性也許對(duì)于環(huán)境凈化有潛在應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文工作的創(chuàng)新性和一般結(jié)論如下

9、:
　　第一次合成了納米花狀Bi2O3/Cu2O復(fù)合物
　　Cu、In和Mo摻雜Bi2O3是提高光催化作用的一種新的工作，摻雜物比純的塊體Bi2O3光催化性能好。
　　第一次用In離子摻雜CdS用于光催化活性改善，在可見光下，In摻雜CdS比純CdS擁有更好的光催化活性。
　　水熱方法是一種很好的合成具有不同形貌和結(jié)構(gòu)的Bi2O3/Cu2O復(fù)合物、摻雜Bi2O3和摻雜CdS的方法。形貌和結(jié)構(gòu)是兩種影響B(tài)i2O3/