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新型光催化剂的制备、表征及其光催化活性的调控机制

龙明策  
【摘要】: 环境污染和能源问题目前仍是困扰人类可持续发展的难题。半导体光催化技术是利用光照激发半导体产生的导带电子和价带空穴,进行氧化还原降解有机污染物或者分解水获取氢能的高级技术。由于该过程本质是将太阳能转化为化学能,所以半导体光催化技术有望成为解决环境和能源问题的一条有效途径。半导体光催化的核心是研制宽谱响应的长效高效光催化材料。光催化材料的吸收光谱与太阳光谱匹配是充分利用太阳能的前提,而高效使得在动力学上光催化材料的应用成为可能,长效是保证光催化材料的稳定性以使得该技术廉价可行。本文围绕宽谱响应的长效高效光催化材料的研制为中心,结合材料表征手段、密度泛函理论计算和光电化学研究方法,探索光催化活性的调控机制。 本文研究了几种掺杂TiO_2的晶体结构、能带结构与光催化性能的关系。采用密度泛函理论的Castep代码,计算了未掺杂、氮掺杂、碘掺杂和铂掺杂的二氧化钛的晶体结构和电子能带结构,结果发现氮和碘掺杂TiO_2的带隙中新增三条能带,而铂掺杂TiO_2新增五条能带,新增的能带使其产生了可见光响应性能。价带和导带组成的分析表明,碘掺杂TiO_2的价带以O_(2p)为主,混合了I_(5p)和少量Ti_(3d),导带以Ti_(3d)轨道为主,混合了少量I_(5p)和O_(2p)。铂掺杂TiO_2中Pt_(5d)轨道分裂成两部分,分别参与价带和导带的构成。铂掺杂和碘掺杂TiO_2能带位置负移使得光生空穴具有更强的氧化性。偶极矩计算显示掺杂TiO_2的TiO_6八面体的畸变程度依次为:碘掺杂TiO_2铂掺杂TiO_2氮掺杂TiO_2。由于偶极矩产生的内部电场有助于电子和空穴分离,因此铂掺杂和碘掺杂TiO_2具有较高的光催化活性。 研究了钴氧化物负载的BiVO_4复合光催化材料的制备、结构表征及光催化性能。通过溶液沉淀法制备了大粒径的单斜BiVO_4,通过浸渍法制备了BiVO_4/CoOx复合光催化材料。采用XRD、XPS、DRS、BET、SEM、TEM、FTIR对其材料晶相、化合价态、光学性能、颗粒形貌等进行表征分析。XPS结果表明0.8wt%Co含量300℃退火的复合物中钴以Co_3O_4形式存在;DRS测定BiVO_4的带隙宽度为2.35 eV,而Co负载后光吸收范围延伸到800 nm;SEM和TEM显示20-50 nm的Co_3O_4颗粒分散在不规则的微米级的BiVO_4颗粒表面;BET测定负载前后的比表面积从0.74 m~2g~(-1)增加到1.38 m~2g~(-1)。苯酚降解的光催化性能测试显示300℃退火0.8wt% Co含量的BiVO_4/Co_3O_4具有最高光催化活性,3 h苯酚去除率达到96%。该催化剂具有较好的稳定性,在水溶液中的沉淀性能较好。分析了类p-n纳米异质结构复合物的三种能带位置的光生载流子的迁移规律,认为p型半导体的价带和导带位置均比n型半导体更正时不利于电子和空穴的有效分离。根据能带结构计算和绝对电负性估算了BiVO_4和Co_3O_4的价带和导带组成和位置,结合发光光谱PL结果,确定复合物高效光催化活性的本质是光生载流子的有效分离。采用SDS为模版的水热法制备了h-BiVO_4纳米片。TEM和HTEM结果显示BiVO_4是100 nm左右的沿(010)方向优先增长的纳米片。h-BiVO_4/Co_3O_4复合物光催化反应2h苯酚去除率达到99%。 比较了BiVO_4与BiVO_4/Co_3O_4复合物半导体电极的光电化学性质。测定了BiVO_4和Co_3O_4的平带电位分别为:-0.3 V vs. NHE(pH=7.0)和+0.54 V vs. NHE(pH=7.0),结果表明p型半导体Co_3O_4的价带和导带均较n型半导体BiVO_4更负。通过刮刀法制备了性能优良的BiVO_4、Co_3O_4和BiVO_4/Co_3O_4复合物压制电极。BiVO_4电极光电分解水的中间产物过氧化物可以作为复合中心降低光电效率,甚至可导致低偏压下电极从n型到p型半导体特征的转化。通过循环伏安还原中间产物可以恢复80%以上的光电活性,通过添加空穴捕集剂碘化钾或表面修饰Co_3O_4组分可以抑制中间产物的生成,提高电极稳定性。BiVO_4和BiVO_4/Co_3O_4电极光电化学性质研究表明后者具有更高的光电效率,并且其光生电子和空穴的表面复合被抑制了。发现添加还原物质如KI或甲醇不能提高复合物的光电效率,表明电子从BiVO_4导带迁移到ITO形成阳极光电流,而空穴则集中在Co_3O_4的价带进行光电氧化水被消耗。在碱性电解质NaOH中BiVO_4的光电效率较中性的Na2SO4更高,稳定性也更高。暗循环伏安表明碱性介质中的过氧化物中间物较少,有其它中间产物生成,空穴氧化水的机制发生变化。 研究了钒酸铋复合物及混合物光催化材料的光催化性能。制备了Ag、Pt、Cu、Ni、Ru负载BiVO_4的系列复合光催化材料,可见光下的苯酚降解实验表明光催化活性为:BiVO_4/Co_3O_4Ag-BiVO_4BiVO_4/NiO_xPt-BiVO_4BiVO_4/RuO_2BiVO_4/CuO。电解质对BiVO_4/Co_3O_4光催化降解苯酚的抑制作用如下:NO_3~-Cl~-SO_4~(2-)。虽然Cl~-对苯酚去除率影响不大,但是抑制了苯环的开环。苯酚去除率随pH值增加而提高,随苯酚初始浓度增加而降低。羟基自由基捕集剂甲醇和异丙醇不影响苯酚去除,但是抑制苯环开环过程,空穴捕集剂KI促进苯酚的彻底降解,通氩气并添加电子清除剂SF_6时苯酚去除率提高。发现BiVO_4和Co_3O_4混合物具有颗粒间电子转移效应,BiVO_4和Co_3O_4的质量比为4:1时苯酚去除率最高,达41%。降解苯甲酸过程中水杨酸的生成验证光催化过程中形成了·OH自由基。 研究了用于光致逻辑器件的混合n/p半导体光电极。通过刮刀法制备了BiVO_4/Co_3O_4、TiO_2/Co_3O_4、BiVO_4/CuO、TiO_2/CuO四种不同的混合n/p半导体压制电极,通过随波长变化的光电流性质研究,证实混合n/p型半导体电极实现XOR逻辑功能是一种普遍方法。确定混合n/p半导体光电极具备随波长变化的光电流方向转换特性需要满足的光电化学条件是n型半导体的导带和价带位置比p型半导体更正。通过光电化学、电学和化学上的调控,可以获得满足要求的XOR逻辑操作。


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