尖晶石結(jié)構(gòu)Zn2SnO4基復(fù)合光催化劑的制備及其性能研究.pdf

1、近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及煤炭、石油等化石燃料的過度開采，人類面臨著巨大的能源危機(jī)，消耗這些化石燃料的同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，環(huán)境污染和能源危機(jī)是人類亟待解決的主要問題。1972年，日本東京大學(xué)的Fujishima和Honda在《Nature》上報(bào)道:TiO2半導(dǎo)體電極與金屬電極所組成的電池受到光的輻射，會(huì)持續(xù)不斷的發(fā)生水的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生H2。自此，半導(dǎo)體光催化技術(shù)被認(rèn)為是解決世界能源危機(jī)的重要手段，并且利用半導(dǎo)體光催化劑

2、把光能轉(zhuǎn)化成電能和化學(xué)能成為最炙手可熱的研究領(lǐng)域之一。
　　目前人們探究了一大批性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料體系，主要集中在具有d0電子結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物，然而這類材料體系中的d電子有較強(qiáng)的局域性，太陽能利用率相對較低。具有d10結(jié)構(gòu)的p區(qū)氧化物Zn2SnO4半導(dǎo)體由于其具有較高的電子遷移率在許多領(lǐng)域均有潛在的應(yīng)用而成為本論文要研究的基底材料。然而，Zn2SnO4半導(dǎo)體材料的帶隙比較寬，使得其只能吸收太陽光中占小部分的紫外光，嚴(yán)重的制約

3、了其在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。因此，如何通過簡單的修飾方法改善Zn2SnO4自身存在的不足是目前迫切需要解決的問題。本工作針對寬帶隙Zn2SnO4半導(dǎo)體自身存在的問題，采用與具有光敏性的窄帶隙半導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)以及通過簡單的表面涂覆等改性方法，來拓寬尖晶石Zn2SnO4基復(fù)合材料的光譜響應(yīng)范圍，使其在可見光下具有催化活性。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　從第二章開始，我們主要介紹通過異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑將Zn2SnO4與窄帶隙半導(dǎo)體BiOI

4、復(fù)合來實(shí)現(xiàn)Zn2SnO4基復(fù)合材料的可見光催化活性。通過簡單的水浴方法將n型Zn2SnO4納米顆粒固定在p型BiOI的納米片上制備出BiOI/Zn2SnO4p-n異質(zhì)結(jié)，并且在可見光下通過降解甲基橙來評(píng)估其催化性能。測試結(jié)果表明BiOI/Zn2SnO4異質(zhì)結(jié)催化劑在可見光下具有極好的催化降解活性。BiOI/Zn2SnO4異質(zhì)結(jié)增強(qiáng)的光催化性能主要因?yàn)槠淦ヅ涞哪軒ЫY(jié)構(gòu)以及BiOI與Zn2SnO4納米顆粒之間形成的異質(zhì)結(jié)。當(dāng)BiOI和Zn2

5、SnO4彼此接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，位于BiOI導(dǎo)帶上的光生電子很容易躍遷至Zn2SnO4的導(dǎo)帶上。另外，異質(zhì)結(jié)形成的內(nèi)電場進(jìn)一步促進(jìn)了光生電子及空穴對的分離。
　　在第三章中，我們采用碳包覆這一修飾方法對半導(dǎo)體Zn2SnO4進(jìn)行改性研究，成功地制備出具有可見光催化活性的碳包覆的Zn2SnO4（以下用C@Zn2SnO4或者C@ZTO表示）的復(fù)合納米材料。選用廉價(jià)且綠色的葡萄糖作為碳源與已制備出的Zn2SnO4納米晶混合進(jìn)行水熱反應(yīng)制備出

6、C@Zn2SnO4復(fù)合材料。在可見光下，通過降解染料羅丹明B來評(píng)估復(fù)合樣品的催化性能，結(jié)果顯示純的Zn2SnO4在可見光下對RhB的降解效果比較小，而C@Zn2SnO4復(fù)合樣品的催化性能有一個(gè)明顯的增強(qiáng)。樣品催化性能的提高主要由于碳層的引入增強(qiáng)了樣品在可見光區(qū)的吸收能力以及碳層的存在能夠快速的導(dǎo)走電子進(jìn)而抑制了光生電子及空穴的復(fù)合。另外，在Zn2SnO4的水熱合成過程中，我們通過加入不同的鋅源實(shí)現(xiàn)尖晶石Zn2SnO4內(nèi)部結(jié)構(gòu)的部分轉(zhuǎn)化調(diào)