三氧化鎢基異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體光催化劑的制備及其光電催化性能研究.pdf

1、半導(dǎo)體光催化技術(shù)在解決人類面臨的環(huán)境污染和能源緊缺兩大問題上顯示了優(yōu)越的性能。氧化鎢基半導(dǎo)體光催化劑由于具有可見光吸收、易制備等優(yōu)點(diǎn)，一般被應(yīng)用在光催化降解有機(jī)染料和裂解水等領(lǐng)域。然而，較低的量子效率，較高的光激載流子復(fù)合幾率等問題限制了氧化鎢在光催化領(lǐng)域的發(fā)展。人們針對(duì)優(yōu)化氧化鎢基半導(dǎo)體光催化劑做了大量的研究。其中，通過構(gòu)筑有效的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，一方面可以在界面處構(gòu)建內(nèi)電場(chǎng)，促進(jìn)光激電子-空穴對(duì)的分離，另一方面可以利用窄帶系半導(dǎo)體敏化寬帶隙

2、半導(dǎo)體，提高光響應(yīng)范圍，因此被認(rèn)為是一種高效的改性方法。本論文針對(duì)氧化鎢基半導(dǎo)體光催化劑在制備和應(yīng)用中面臨的實(shí)際問題，采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，構(gòu)建了同質(zhì)異相結(jié)和肖特基結(jié)兩種異質(zhì)結(jié)光催化劑，改善了氧化鎢基半導(dǎo)體光催化劑的光催化和光電催化性能，并進(jìn)一步揭示了兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的改性機(jī)理。一方面，基于氧化鎢在制備中多晶相、易調(diào)控的特點(diǎn)，通過構(gòu)筑同質(zhì)異相結(jié)對(duì)其進(jìn)行改性修飾，并探索形成氧化鎢基同質(zhì)異相結(jié)的微觀機(jī)制，揭示了半導(dǎo)體光響應(yīng)能力、電子遷

3、移速率以及能帶匹配之間的關(guān)系。另一方面，通過在氧化鎢薄膜上負(fù)載金納米顆粒構(gòu)筑肖特基結(jié)，探索金納米顆粒改善氧化鎢光電化學(xué)性能的作用機(jī)理，揭示了金納米顆粒的雙作用機(jī)制，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)新型高效的具有可見光活性的半導(dǎo)體光催化劑提供理論指導(dǎo)。主要研究內(nèi)容以及研究成果如下:
　　第一章的主要內(nèi)容是介紹本論文的研究背景和意義。簡單闡述了半導(dǎo)體光催化技術(shù)的基本原理、存在的問題、主要改性手段以及WO3基光催化劑的概況。此外，針對(duì)不同種類異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑的原

4、理和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。最后闡述了本論文的選題思想和主要研究內(nèi)容。
　　第二章我們以構(gòu)筑同質(zhì)異相結(jié)為主要改性手段，針對(duì)WO3在實(shí)驗(yàn)制備過程中多晶相、易調(diào)控的特點(diǎn)，通過構(gòu)筑同質(zhì)異相結(jié)對(duì)其進(jìn)行改性研究，在此基礎(chǔ)上，探索了形成WO3基同質(zhì)異相結(jié)的微觀機(jī)制，揭示了半導(dǎo)體光響應(yīng)能力、電子遷移速率以及能帶匹配三者之間的關(guān)系。XRD測(cè)試結(jié)果表明，我們采用一步水熱法，通過調(diào)控反應(yīng)的pH值，成功制備了具有不同晶相組分的WO3同質(zhì)異相結(jié)光催化劑。S

5、EM和HRTEM測(cè)試結(jié)果表明，其主要由六方鎢青銅礦與立方燒綠石結(jié)構(gòu)組成，在該同質(zhì)異相結(jié)中，棒狀的六方相插入了塊狀的立方相中，形成類刺猬狀結(jié)構(gòu)。通過降解水中污染物(RhB)以及光催化裂解水產(chǎn)氧兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)制備的光催化劑性能進(jìn)行了評(píng)估。測(cè)試結(jié)果表明，WO3同質(zhì)異相結(jié)光催化劑較單一晶相的WO3在全光譜和可見光條件下均具有更高的光催化活性。機(jī)理分析表明，在同質(zhì)異相結(jié)的界面處形成了有效的內(nèi)建電場(chǎng)，促進(jìn)了光激電子-空穴對(duì)的分離，進(jìn)而改善了光催化劑的

6、光電化學(xué)性能。我們的研究為合成更高效的WO3基光催化劑提供了指導(dǎo)。
　　第三章我們以構(gòu)筑肖特基結(jié)為主要改性手段，針對(duì)WO3基半導(dǎo)體光催化劑空穴易參與反應(yīng)的特點(diǎn)，通過構(gòu)筑Au/WO3肖特基結(jié)對(duì)其進(jìn)行改性研究，在此基礎(chǔ)上，探索了Au納米顆粒改善WO3光電化學(xué)性能的作用機(jī)理，揭示了Au的雙作用機(jī)制。XRD、SEM和XPS測(cè)試結(jié)果表明，我們采用晶種-水熱法，通過調(diào)控反應(yīng)中的pH值，成功制備了六方相WO3薄膜，再通過浸漬-煅燒法在WO3薄膜

7、上負(fù)載Au納米顆粒，實(shí)現(xiàn)了Au納米顆粒修飾的WO3光電極的制備。光電流密度測(cè)試結(jié)果表明，WO3肖特基結(jié)光催化劑具有比單一WO3更加優(yōu)異的光電化學(xué)性能。HRTEM和UV-vis測(cè)試結(jié)果表明，10-20nm的Au納米顆粒具有表面等離子體共振效應(yīng)，可以將Au/WO3的光吸收范圍擴(kuò)至700nm。Mott-Schottky曲線和理論計(jì)算結(jié)果表明，在Au/WO3界面處存在一內(nèi)建電場(chǎng)可以促進(jìn)光激電子-空穴對(duì)的分離。機(jī)理分析結(jié)果指出，Au/WO3光電極