異質結光催化劑界面電子遷移的調控方法及光催化特性.pdf

1、光催化技術能夠在溫和的反應條件下，通過光源驅動，將有機污染物高度礦化分解，因而被認為是一種頗具前景的污染控制技術。然而，光催化反應的效率始終受到催化劑光響應范圍窄、光生載流子復合率高等不利因素的制約。由不同半導體構成的異質結能夠拓寬光譜的響應范圍，同時其內建電場能夠促進光生載流子的分離，因此，合理構建異質結能夠在一定程度上提高光催化過程的量子效率。盡管如此，受到半導體之間的接觸面積、催化劑的光吸收范圍、界面處的能帶勢壘、以及異質結中載流

2、子流向等因素的影響，傳統(tǒng)的異質結仍然存在電荷分離效率低、氧化還原能力弱等缺點。針對上述問題，本論文分別嘗試了構建包覆型異質結增加界面接觸面積、選擇窄禁帶半導體拓寬光譜響應范圍、優(yōu)化接觸晶面減小能帶勢壘、選擇合適的電子傳遞體促進Z體系機制等一系列途徑來提高異質結的光催化效率，取得的研究成果如下:
　　(1)采用靜電組裝法制備了石墨烯(Gr)包覆ZnIn2S4(ZnIn2S4@Gr)復合光催化劑。通過掃描電鏡對其形貌和結構進行了觀察，

3、發(fā)現Gr完整包覆在ZnIn2S4微球表面，使得異質結具有比非包覆型ZnIn2S4-Gr異質結更高的接觸面積。以苯酚為目標污染物考察了催化劑的光催化性能，結果顯示，在實驗最佳Gr用量（2wt％）的情況下，ZnIn2S4@Gr光催化降解苯酚的動力學常數為3.03 h-1，分別是ZnIn2S4和非靜電組裝法制備的ZnIn2S4-Gr異質結的8.4倍和1.5倍。其中，光生電子產生的羥基自由基(·OH)是促使苯酚降解的主要活性物種。
　　(

4、2)采用電泳沉積法制備了垂直生長的酞菁銅(CuPc)納米線陣列，利用化學氣相沉積法在其表面包覆TiO2得到了CuPc NW@TiO2異質結光催化劑。通過紫外可見吸收光譜和光電流測試考察了材料的光學性質和載流子分離性能，結果表明，CuPc NW@TiO2可以吸收近紅外區(qū)的光譜(≤800 nm);在-0.8 V(vs SCE)的偏壓下，其可見光光電流(-15μA·cm-2)是單純CuPc納米線光電流(-7μA·cm-2)的2.1倍。以2，4

5、-二氯酚為目標污染物考察了材料的光電催化能力，結果顯示其光電催化降解2，4-二氯酚的動力學常數為2.28h-1，是單純CuPc納米線光電催化動力學常數(1.58 h-1)的1.4倍。
　　(3)采用籽晶法結合水熱法制備了基于BiVO4不同晶面({110}晶面和{010}晶面）的BiVO4-110-TiO2異質結和BiVO4-010-TiO2異質結。通過光電流測試等考察了兩種異質結的載流子分離性能，結果顯示BiVO4-110-TiO

6、2異質結具有比BiVO4-010-TiO2異質結更高的載流子分離性能。以羅丹明B和4-壬基酚為目標污染物對比了兩種異質結的光催化活性，實驗結果證明羅丹明B和4-壬基酚在BiVO4-110-TiO2上的降解速率分別為1.19h-1和3.07 h-1，約為二者在BiVO4-010-TiO2表面降解速率的1.3倍。最后，通過測試可見光下Pt的還原沉積位點和光生載流子的壽命探討了兩種異質結光催化性能差異的原因，證實了BiVO4-110-TiO2

7、較高的載流子分離性能是由于BiVO4的{110}晶面和TiO2導帶之間能壘較小，有利于BiVO4表面的光生電子遷移到TiO2表面。
　　(4)以具有不同費米能級的Cu、Ag、Au為中間電子傳遞體，構建了WO3-metal-gC3N4復合光催化劑，通過檢測體系中·OH的產生與否分析了電子的還原能力和空穴的氧化能力，探討了載流子的傳遞機制，結果證明了僅具有合適費米能級的Cu有利于載流子以Z體系機制傳遞。采用光電流測試分析了光生載流子的

8、分離效率，實驗結果表明WO3-Cu-gC3N4的光電流密度為11.5μA·cm2，分別是WO3(3.3μA·cm-2)和傳統(tǒng)WO3-gC3N4異質結(5.0μA·cm-2)的3.5倍和2.3倍。最后以4-壬基酚作為目標污染物考察了催化劑的光催化能力，發(fā)現WO3-Cu-gC3N4材料可見光催化降解4-壬基酚的速率常數為0.78 h-1，是WO3-gC3N4的11.6倍。
　　(5)采用旋轉涂膜法制備了BiVO4-BiFeO3-CuI

9、nS2異質結光催化劑，考察了極化電場的方向和厚度對載流子行為的影響。實驗結果顯示，當BiFeO3材料的極化電場方向從CuInS2一側指向BiVO4一側時，界面處的電子傳遞符合Z體系機制;且極化層BiFeO3的最佳厚度為70 nm。以對硝基酚和2，4-二氯酚為目標污染物考察了催化劑的光催化性能，結果表明，具有極化電場的BiVO4-BiFeO3-CuInS2異質結光催化降解對硝基酚的動力學常數(1.19 h-1)分別為單純CuInS2材料和