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纳米孔状阳极氧化WO_3的制备、改性及在光催化与离子检测中的应用

郭亚逢  
【摘要】: 自从1972年日本学者Fujishima和Honda发现TiO_2电极在紫外光照下光催化分解水以来,关于TiO_2材料的研究引起了广泛的关注。可是在太阳能利用方面,TiO_2的缺点是禁带宽度较大(3.0-3.2 eV),从而只能利用一小部分的太阳光谱。由于WO_3具有优良的光致/电致变色、气敏特性、催化特性等,从而被用于电致变色装置、灵巧窗、显示器件、化学传感器、仿生开关、光催化等方面。而且对于纳米晶的WO_3,其禁带宽度为2.5-3.0 eV,其相应的吸收波长为410-500 nm,所以三氧化钨薄膜在可见光的照射下就能产生几微安的光电流,比TiO_2更有利于利用太阳光。 通过制备有序纳米材料,能够获得材料自身的特性和超级性能,推动纳米材料向前发展。本论文研究重点在于以阳极氧化法制备有序的WO_3纳米材料,并对WO_3纳米材料进行改性和修饰。在此基础上,对材料的性能和应用进行了初步的研究。 首先通过对阳极氧化制备氧化钨纳米材料的条件进行了详细的考察后,摸索出一条调控金属/氧化物界面的电场辅助WO_3生长速率和氧化物/电解液界面的电场辅助WO_3的溶解速率,为WO_3提供了自组装生长的化学环境,制备出了形貌规整的、孔径可调的纳米孔状WO_3材料。在此基础上初步研究了择优生长晶面和光催化性能之间的关系,发现以(002)晶面择优生长的单斜晶系的自组装纳米孔状WO_3材料比以(020)晶面择优生长的WO_3薄膜具有更高的光转化效率和光催化能力。 其次为了进一步提高自组装纳米孔状WO_3对紫外光和可见光的利用,我们采用在氨气气氛中高温焙烧自组装纳米孔状WO_3的方法,得到了不同氮掺杂类型的氧化钨光电极,这就使得研究不同的氮掺杂类型与光催化活性之间的关系成为可能。结合光电化学测试、能带结构研究和光催化活性实验,与未掺杂的自组装纳米孔状WO_3相比,间隙型氮掺杂氧化钨不仅使得自组装纳米孔状WO_3的导带和价带都向更正的电位方向移动,而且增加了半导体载流子浓度,从而在紫外光下获得更高的光电流、光电转化效率和空穴氧化能力。而取代型氮掺杂的氧化钨不仅使得自组装纳米孔状WO_3的导带和价带都向更负的电位方向移动,而且半导体禁带宽度变窄,吸收带边红移,从而提高了对可见光的利用效率和光催化能力。 最后采用CdS量子点修饰自组装纳米孔状WO_3电极的方法,通过优化CdS量子点生长的条件,分别制备了用于选择性检测金属离子的CdS/WO_3电极和用于光电转化的CdS/WO_3光电极:初步的研究表明,CdS/WO_3电极对低浓度含Zn~(2+)或Pb~(2+)溶液有较好的选择性;在氙灯的照射下,用于光电转化的CdS/WO_3光电极比未负载CdS的自组装纳米孔状WO_3的光电流密度提高了60%。


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