錫氧化物-二氧化鈦納米帶表面異質(zhì)結(jié)及其光催化與氣敏性能.pdf

1、錫氧化物中錫的多價態(tài)和氧空位所導致的獨特性能使其具備氣體傳感、光催化、鋰離子電池、超級電容器、透明半導體等方面的應用潛力并因此受到研究者的極大關(guān)注。混合價態(tài)錫氧化物Sn3O4是一種窄禁帶半導體材料，其價帶電子在可見光激發(fā)下即可躍遷至導帶，具有太陽光光譜能量利用方面的優(yōu)勢。然而，當利用Sn3O4作為光催化劑進行光解水產(chǎn)氫時，不但效率較低，并且仍然需要貴金屬做助催化劑，從而增加了材料的應用成本。另外，氧化錫還是一種優(yōu)異的氣敏材料，但普通水熱

2、方法制備的氧化錫納米結(jié)構(gòu)因為暴露面主要為穩(wěn)定面，并且，電子傳輸性能差，其氣敏性能難以得到提高。
　　為了尋找解決上述問題的有效途徑，本論文以一種具有可見光催化性能的魚鱗狀Sn3O4納米片為基礎，與具有紫外光催化活性的TiO2納米帶結(jié)合構(gòu)建半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)并進行了在光催化和氣敏傳感器方面的研究。本論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1、選取SnCl2·2H2O作為錫源，水熱法成核-生長得到魚鱗狀Sn3O4納米片，納米片微觀尺寸在100

3、至400nm之間，厚度約為10nm，納米片間交織形成花瓣狀空間結(jié)構(gòu)。進一步對制備的Sn3O4進行元素含量及化學價態(tài)表征來確定構(gòu)成化合物的元素狀態(tài)。同時分析其紫外-可見漫反射光譜(DRS)、熒光光譜(PL)和光電化學響應曲線(PEC)來初步判斷所制備Sn3O4的半導體特性。在此基礎上，進行樣品的紫外光及可見光光催化解水產(chǎn)氫和光催化降解有機染料的實驗。
　　2、以水熱法制備的Sn3O4納米片作為中間體，進一步高溫氧化獲得SnO2。所獲

4、得的SnO2基本保持了納米片狀的微觀形貌且暴露面為高能(001)面，氣體檢測時表面表現(xiàn)出對吸附氧的較強吸收，有利于降低氣體傳感器響應的工作溫度。此外，探究不同加熱溫度對形成SnO2的影響，及對比基于這種SnO2納米片構(gòu)建的氣體傳感器活性在不同工作溫度下對乙醇，甲醇和丙酮的氣敏活性，分析氣敏活性的工作機理。
　　3、與TiO2納米帶結(jié)合，通過簡單的水熱法構(gòu)建出一種新型的魚鱗狀Sn3O4/TiO2納米帶表面異質(zhì)結(jié)材料。TiO2納米帶通

5、過堿熱法預合成，并在高溫下通過硫酸腐蝕得到表面粗糙化的TiO2納米帶。同樣地，魚鱗狀的Sn3O4納米片可以通過原位合成并通過水熱法組裝在TiO2納米帶的表面。Sn3O4的形貌和分布可以簡單地通過調(diào)節(jié)原料中的Sn/Ti原子比來加以控制。比較不同Sn/Ti原子比的異質(zhì)結(jié)材料的光電化學響應和光催化活性進行，尋找最優(yōu)的Sn/Ti配比，并探究其對材料性能產(chǎn)生影響的可能機理。
　　4、基于Sn3O4和TiO2納米帶表面異質(zhì)結(jié)的反應，和Sn3O

6、4高溫氧化生成SnO2的啟發(fā)，采用兩步法合成SnO2/TiO2納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)。首先，水熱反應過程中以TiO2納米帶作為支撐材料在其表面外延生長Sn3O4;隨后，將Sn3O4/TiO2進行高溫氧化處理得到SnO2/TiO2異質(zhì)結(jié)。考察SnO2/TiO2復合材料相對于單一SnO2或TiO2的氣體傳感響應變化，并比較不同Sn/Ti原子比對于異質(zhì)結(jié)氣敏性能的影響。
　　實驗發(fā)現(xiàn)所制備的Sn3O4為黃色粉末，測試表明為n型半導體，帶隙能

7、為2.61eV，在可見光激發(fā)下能高效地降解有機染料污染物，且可循環(huán)利用;Sn3O4納米片進一步氧化生成的SnO2納米片為黑色粉末，相對于Sn3O4和其他途徑合成的SnO2,這種SnO2傳感器在氣敏應用上表現(xiàn)出對乙醇選擇性響應，且響應溫度低至43℃，重復性強;由Sn3O4改性后的Sn3O4/TiO2納米帶表面異質(zhì)相對于單一相納米結(jié)構(gòu)的Sn3O4或TiO2,由于Sn3O4和TiO間能帶匹配和合適Sn/Ti原子比形成的異質(zhì)結(jié)有助于光激發(fā)所產(chǎn)生

8、的電子和空穴的傳輸和有效分離，紫外-可見光光催化性能顯著增強;同樣改性SnO2構(gòu)建的SnO2/TiO2納米片異質(zhì)結(jié)，得益于SnO2納米片暴露面的高活性、TiO2納米帶對SnO2納米片的分散作用對檢測氣體接觸面積的增加和電子傳導的影響，在43℃到276℃的工作溫度區(qū)間對乙醇的響應將近兩倍于SnO2。
　　綜上所述，本文首次將Sn3O4組裝到TiO2納米帶上，形成魚鱗狀Sn3O4/TiO2納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種材料具有突出的可見光光