微/纳米结构三氧化钨和复合材料的可控合成及其复合增强的光学和光催化性能

【摘要】：过渡金属氧化物因电子、化学、机械等方多面性能而备受关注。过渡金属半导体材料WO3具有优异的物理、化学性能,在可再生能源和相关领域有很大的发展前景。纳米/微米结构的WO3光催化材料被认为是光解水和光催化降解有机污染物的重要材料之一。本文采用简单的水热合成法和CVD法制备WO3及其化合物WO3/g-C3N4, WO3/CdWO4和WO3/Fe2(WO4)3.10.7H2O等,通过X射线衍射、场发射电子扫描电镜、透射电镜、高分辨透射电镜、X射线电子能谱、紫外可见吸收光谱、荧光光谱、傅里叶转换红外光谱的方式进行表征,研究所制备材料优异的光学和光催化性能。文章第一部分的研究内容为WO3新型结构的制备及其光学性能的研究。以钨酸钠和氯化钠作为前躯体,利用表面活性剂/无催化剂的方法合成具有三维结构的wO3八面体结构。通过FESEM电镜对制得样品尺寸进行观察,发现所制备样品尺寸在1到5μm左右。文中对紫外可见光吸收、荧光吸收、和傅里叶红外吸收等光学性质进行了详细的说明。对制备样品在可见光下进行甲基蓝降解测试,发现所得样品暴露的{120}面有很大的比表面积(15.26 m2g-1),良好的结晶度和更多的表面活性基数量,该样品光催化效率0.03254min-1十分优异,这源于所制备样品的大的比表面积和W03八面所体暴露的高活性的{120]面。文章第二部分的研究内容是基于W03化合物和异质结构光催化剂的制备。本文采用非常简单的加热和混合的方法制备样品,此方法可大量有效地合成结构新颖且具有不同比例的的WO3/g-C3N4光催化剂。用所制备样品在可见光下对罗丹明B进行七降解研究,发现所制备样品表现出优异的光催化效率,分别是纯g-C3N4和W03光催化效率的3.65倍和3.72倍,并且远远高于之前文章中相关报道的光催化效率。文章对样品光催化性质进行了进一步研究,发现所制备化合物的禁带宽度为2.3到2.5eV,有利于进行光降解反应。文章中详细讨论了所制备样品提高光降解效率的可能机制。研究发现,WO3和g-C3N4的协同作用增加了化合物对可见光的吸收,优化了禁带宽度从而提高了产物的光降解效率。在文章第三部分,通过水热和化学吸收的方法合成结构新颖的Z型结构片层WO3和棒状CdWO3混合物。所制备的混合物异质结构光催化剂在可见光下降解不同有机染料的性能优越,比单一的WO3和CdWO4降解有机污染物的效率显著提升。所制备混合物降解甲基蓝的最高活性大约是WO3的7倍,是CdWO4的2.3倍。光催化效率增强主要是由于样品的表面积增大和WO3的引入,增加了对有机染料的吸收活性,同时因为形成了内电场而增加了半导体表面间的电子-空穴对的分离。在最后,通过水热法以钨酸钠二水合物和氯化铁作为前躯体一锅法合成WO3/Fe2(WO4)3.10.7H2O混合物,产物在可见光下有很高的降解效率。通过FESEM和TEM观察发现所得产物为多孔盘状结构,尺寸约2 μm,厚度为100到120nm。所制备试样有很大的比表面积(96.906m2/g),在可见光下具有卓越的甲基橙降解效率(k=0.06771min-1)。进一步研究发现,光降解效率的提升是因为样品可见光区域的光吸收增加、较大的比表面积、高效产生·OH自由基以及对在异质结表面光生电子载流子的有效分离。