关键词：
光催化
异质结
有机物降解
自组装
摘要：
光催化反应能够有效地将自然界中的太阳能转化成化学能,并用于光催化制氢反应和光催化降解有机污染物反应,因而使得其在解决能源危机和环境污染两大难题方面具有很大的潜力。因此,开发具有高活性的半导体光催化剂具有重要的战略意义。一般来说,半导体的光催化效率与其本身的光吸收范围及其光生载流子的分离效率密切相关。与此同时,在实际应用过程中光生载流子与外界物质的有效接触也会影响着半导体光催化剂的光催化活性。为此,本文以促进光催化制氢反应和光催化降解反应为目标,调控并制备了一系列具有针对性的半导体纳米光催化剂体系,并系统探究了光生载流子的输运特性对半导体光催化剂性能的影响机制,以及电极表面纳米形貌与光催化性能之间的内在联系,并通过在TiO基半导体纳米颗粒薄膜上引入光热转换材料来实现对光能的高效利用与多功能转化。此外,本文在最后提出了一种纳米复合结构的新型制备方法,从而为更好地研究和调控半导体纳米光催化体系的性能提供了各种可能的结构体系。本论文的具体研究内容包括以下几个方面:1.通过构建具有特定晶面结构的金属-半导体异质结来探究不同界面结构对光生载流子输运特性的影响,以此为制备高效的半导体纳米光催化体系结构提供设计思路。本文通过合成具有形貌可控的PbS纳米晶体来实现对Pt/PbS纳米光催化剂界面结构的有效调控,并以此探究不同界面结构对其光生载流子输运和光催化性能的影响。研究结果表明,Pt/PbS催化剂的光催化性能与该异质结中PbS所暴露的晶面有着紧密的联系。当由(111)晶面所包围的正八面体PbS与金属Pt构成异质结时,该光催化体系在催化制氢方面具有相对较高的光增强效应,是Pt/立方体PbS异质结体系的4.38倍。结合DFT模拟计算结果可知,不同的界面结构会导致Pt/PbS纳米光催化体系具有不同高度的肖特基势垒,从而对光生载流子输运特性造成不同程度的阻碍作用,进而影响其光催化性能。因此,在实际应用中可以通过控制金属-半导体的界面结构来优化光生载流子的输运特性,从而在一定程度上改善所构建的纳米光催化体系的性能。2.通过一种可视化表征方法来研究并揭示催化电极表面的纳米结构对其光催化反应中物质传递过程和光催化性能的影响。本文通过湿法刻蚀方法制备了具有周期性的SiNWs阵列,并以此作为纳米催化电极,以期用于光催化制氢反应中。研究结果发现,电极表面的纳米结构化会促进该电极表面氢气气泡的有效脱离,从而减轻气泡的粘附现象,改善了电极与电解液之间的物质传递过程。同时,实验通过改变刻蚀时间对SiNWs阵列高度进行了有效调控,以此获得具有不同表面粗糙度的纳米结构电极,并探讨了不同纳米结构表面上气泡的成核与脱离特性。研究结果显示,随着电极表面SiNWs阵列高度的增加,其电极表面会为氢分子的生成提供更多的成核位点,且其气泡的脱离直径也会随之增加,从而提高了光催化效率,这一结果与其电化学性能的测试结果相一致。3.通过在TiO基半导体纳米颗粒薄膜上引入光热转换材料,从而实现对光能的高效利用与多功能转化。本文采用多重过滤沉积的方法,制备了具有双功能性的三层结构薄膜体系TiO-Au-AAO,并用作污水净化薄膜。采用SEM、UV-vis、IR等表征手段来研究该薄膜体系的结构形貌和光吸收特性,并通过模拟太阳光降解有机污染物RhB来评估其薄膜的光催化活性,以此探究不同设计方案的结构体系与其污水净化效率之间的关系。研究结果证实,该薄膜体系结构能够将光催化降解功能和光热蒸发功能有机地结合在一起,从而提高了光能的利用率和转化率,同时实现了污水的高效净化和纯水的快速分离。为了进一步提高该薄膜体系对太阳能的利用率并拓宽其实用性,本文在上述基础上采用类似的制备方法开发出纸基复合薄膜,并采用具有较大比表面积的rGO作为光热转化材料,从而使得其整个薄膜体系在材料成本和实际操作上得到一定程度的优化。研究结果表明,该薄膜体系能够有效将物理吸附功能、催化降解功能和光热蒸发功能有机的结合在一起,从而进一步提高了对光能的利用率与转化率,改善了其薄膜体系的污水净化性能。4.对于构建高效的半导体纳米光催化体系而言,纳米复合结构的有效制备能够为其光催化性能的改善和实现该体系的多功能化提供更多的设计方案。为此,本文在最后重点研究了一种纳米复合结构的新型制备方法,即通过调节纳米颗粒的表面电荷,实现其在溶液界面处获得具有不同组分或结构的纳米复合结构。本文将主要以金纳米颗粒为例,系统介绍了采用甲酸蒸汽法来制备界面颗粒组装薄膜的这一技术。研究结果证实,对于单一尺寸分布的金颗粒溶液而言,该方法简单易行,可以在气液界面处获得具有大面积的单层金纳米颗粒薄膜,且该自组装薄膜具有良好的可转移性,可以根据实际需要转到到特定的基底上;而当颗粒溶液中同时混合有100-nm和10-nm的金纳米颗粒时,SEM结果显示该自组装颗粒薄膜中的金纳米颗
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