金屬氧化物復(fù)合體系氣相光電催化性能與表征.pdf

1、光催化技術(shù)是致力于新能源利用和環(huán)境保護(hù)交叉領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。光催化技術(shù)的基本原理是,半導(dǎo)體光催化劑吸收太陽(yáng)能,產(chǎn)生具有氧化還原活性的電子空穴對(duì),進(jìn)而通過(guò)一系列分解反應(yīng)將有機(jī)污染物降解為無(wú)毒無(wú)害的二氧化碳和水。光催化技術(shù)涉及材料、表征和應(yīng)用三個(gè)層面的研究。其中半導(dǎo)體復(fù)合材料、光電性能和氣相光電催化降解揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)分別是相應(yīng)層面中的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。本文致力于在電荷轉(zhuǎn)移共性問(wèn)題的基礎(chǔ)上,通過(guò)研究三者之間的內(nèi)在聯(lián)系,來(lái)探尋氣相光電

2、催化領(lǐng)域新的視角,并嘗試推動(dòng)其向應(yīng)用化發(fā)展的進(jìn)程。
　　本文從金屬氧化物復(fù)合體系出發(fā),基于組合材料學(xué)的思想,并行合成了包含66個(gè)成分點(diǎn)的TiO2/WO3/MnO2三元復(fù)合體系的成分三角形。其中包括二元混合型復(fù)合體系27個(gè),三元混合型復(fù)合體系36個(gè)。我們高通量表征了所有成分點(diǎn)的光電響應(yīng)性能,探討了復(fù)合體系的能帶匹配模式與光電性能的構(gòu)象關(guān)系。結(jié)果表明,錯(cuò)開(kāi)型的TiO2/WO3復(fù)合體系促進(jìn)了載流子的分離,從而可以提高光電響應(yīng)性能。而跨立

3、型的TiO2/MnO2和WO3/MnO2復(fù)合體系強(qiáng)化了載流子的復(fù)合,從而削弱了光電響應(yīng)性能。除此之外,材料的光電響應(yīng)性能還與晶界勢(shì)壘的高度密切相關(guān)。在66個(gè)成分三角形中,我們篩選出了TiO2/WO3摩爾比例為2:8的成分點(diǎn),其在紫外、藍(lán)光和白光條件下均有最好的光電響應(yīng)性能。
　　我們利用篩選出來(lái)的具有優(yōu)異光電性能的TiO2/WO3復(fù)合體系進(jìn)行了氣相光電催化降解丙酮的研究,并與單相的TiO2進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,iO2/WO3復(fù)合體

4、系在紫外光照射下,僅僅施加0.2V偏壓,降解速率常數(shù)就提高了2倍多,而對(duì)于單相TiO2的性能卻無(wú)任何的改變。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,TiO2需要施加幾十伏的電壓催化效率才能提高不到1倍。我們發(fā)現(xiàn)使用特定能帶匹配模式的復(fù)合體系,可以大幅降低對(duì)外加偏壓的要求,在較低的電壓下就可以表現(xiàn)出明顯的光電協(xié)同效應(yīng)。因此,該研究結(jié)果對(duì)于目前提倡的低碳經(jīng)濟(jì)有著重要的意義。
　　在低偏壓氣相光電催化概念的基礎(chǔ)上,我們優(yōu)化了異質(zhì)結(jié)的結(jié)合形式,設(shè)計(jì)了疊層氣相光電

5、催化單元。在該單元中,TiO2作為空穴的受體處于表層,WO3作為電子的受體處于底層,施加偏壓的插指電極置于底層的WO3之下。研究結(jié)果表明,通過(guò)層級(jí)異質(zhì)結(jié)和低偏壓的共同作用,可以產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應(yīng),強(qiáng)化電子的分離,使得具有強(qiáng)氧化性的空穴富集在催化單元的表面,大幅提高了催化降解效率。在紫外光下,施加0.2V偏壓,TiO2/WO3疊層光電催化單元的催化降解效率是單一TiO2膜層的5倍多。
　　在通過(guò)強(qiáng)化電子的分離實(shí)現(xiàn)高效催化的啟發(fā)下,結(jié)

6、合在氣相光電催化的性能研究中,催化活性隨電壓幅值的變化出現(xiàn)過(guò)猶不及的現(xiàn)象。我們放棄一味提高外加偏壓的慣性思維,提出了交變外場(chǎng)的新思路。結(jié)果表明,在低壓高頻正弦半波電場(chǎng)的作用下,可以使TiO2和WO3的催化活性實(shí)現(xiàn)大幅的提高。不僅如此,高頻外場(chǎng)還可以改變催化反應(yīng)的路徑,避免甲醛等劇毒中間產(chǎn)物的生成。
　　最后我們基于研究中對(duì)外場(chǎng)、氣氛和異質(zhì)結(jié)的認(rèn)識(shí),通過(guò)對(duì)TiO2/WO3光電流和催化性能的對(duì)比研究,嘗試建立了復(fù)合體系的光電流、電荷分