氧化物納米材料的合成、表征及光催化應(yīng)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(dǎo)體，具有原料豐富、價(jià)格便宜、制作簡(jiǎn)單、環(huán)保無毒和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可用于光催化和染料敏化太陽能電池等領(lǐng)域，受到人們的廣泛關(guān)注。雖然人們已經(jīng)開展了大量的工作并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但如何實(shí)現(xiàn)納米材料在成份和微結(jié)構(gòu)上可控制備，發(fā)掘納米材料中新的物理化學(xué)現(xiàn)象，并使其獲得實(shí)際應(yīng)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(duì)象，系統(tǒng)地開展了一維和三維納米結(jié)構(gòu)的可控制備和表征工作；在此基礎(chǔ)上，還研究了這些材料的光催化特性，初步探索了其在有機(jī)污染物光降解和染料敏化太陽能電池光電極方面的應(yīng)用。通過大量的實(shí)驗(yàn)和分析，我們?nèi)〉昧艘恍┯幸饬x的結(jié)果，具體包括以下幾個(gè)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(shí)驗(yàn)表明，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)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(duì)獲得的納米線進(jìn)行了成分和結(jié)構(gòu)表征，證明了Zn<,2>SnO<,4>納米線為具有沿[111]長(zhǎng)軸方向生長(zhǎng)的尖晶石結(jié)構(gòu)，其中存在大量Zn和O空位；ZnO納米線為沿[0110]長(zhǎng)軸方向生長(zhǎng)的纖鋅礦結(jié)構(gòu)；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(shí)驗(yàn)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(píng)估了所制備的納米線光降解有機(jī)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(shí)驗(yàn)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(shí)的光催化降解常數(shù)可達(dá)到0.146 h<

5、'-1>。 (4) 對(duì)納米線的光催化活性機(jī)理進(jìn)行了探討。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，我們認(rèn)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(zhì)結(jié)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，促進(jìn)電子空穴的有效分離，從而增強(qiáng)光催化效率。另一方面，我們還認(rèn)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(fù)合幾率，這同樣對(duì)提高光催化效率有重要的促進(jìn)作用。 2．納米結(jié)構(gòu)

6、蒲公英狀TiO<,2>微球的制備及性能研究 (1) 利用簡(jiǎn)單的水熱法成功地合成了具有納米結(jié)構(gòu)的三維蒲公英狀TiO<,2>微球粉體，產(chǎn)率可達(dá)90％以上。這種三維蒲公英狀TiO<,2>微球具有分級(jí)結(jié)構(gòu)，整個(gè)球體的直徑約為1.5～2微米。每個(gè)球體由截面為正方形，延[001]方向生長(zhǎng)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(zhǎng)的機(jī)制，并提出了一種新的[Ti<'3+>]的氧化機(jī)理：我們認(rèn)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(dāng)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(duì)不同pH值溶液中獲得的TiO<,2>的光催化活性進(jìn)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(rèn)為，這種高的光催化效率來源于蒲公英狀TiO<,2>的分級(jí)結(jié)構(gòu)。這種分級(jí)結(jié)構(gòu)在保留了納米材料大的比表面積的同時(shí)，還能夠

8、為污染物分子的擴(kuò)散提供分級(jí)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(duì)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(gè)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