鐵基納米陣列結(jié)構(gòu)的制備、改性及其光催化性能的研究.pdf

1、半導(dǎo)體光催化技術(shù)是當(dāng)今環(huán)境與能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)利用清潔、可再生的太陽(yáng)能，光催化技術(shù)在較為溫和的反應(yīng)條件下將有機(jī)物徹底礦化分解，不會(huì)造成二次污染。常見(jiàn)的光催化劑，如TiO2、 ZnO、SnO2、 Fe2O3、 WO3等，在環(huán)境領(lǐng)域、鋰離子電池、超級(jí)電容器和染料敏化太陽(yáng)電池領(lǐng)域中有巨大的應(yīng)用前景。以Fe2O3等為代表的半導(dǎo)體光催化劑具有高活性、低成本，環(huán)境友好，穩(wěn)定性好及可見(jiàn)光響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，其原理及應(yīng)用的相關(guān)研究日益受到廣泛的重視。但F

2、e2O3催化劑仍然存在光生電子空穴容易復(fù)合和電子傳導(dǎo)性能差等問(wèn)題，限制了其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)新型光催化劑以提高光催化材料太陽(yáng)光譜響應(yīng)范圍和光催化效果。
　　本文分別采用熱處理法和電化學(xué)陽(yáng)極氧化法在鐵片表面原位形成α-Fe2O3納米片陣列、α-Fe2O3納米線陣列和α-Fe2O3納米管陣列，揭示了α-Fe2O3納米陣列制備過(guò)程中產(chǎn)物生長(zhǎng)機(jī)理及其形貌與結(jié)構(gòu)演變歷程;在此基礎(chǔ)上通過(guò)水熱法，在鐵片表面形成α-Fe2O3/SnO

3、2、α-Fe2O3/WO3、α-Fe2O3/ZnO及α-Fe2O3/TiO2納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，以減少電子空穴再?gòu)?fù)合率提高光催化效率。對(duì)Fe2O3基復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析表征，并揭示了其提高光催化效率的作用機(jī)制和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征。主要研究工作如下:
　　(1)采用熱處理法在純Fe片上制備出α-Fe2O3納米片陣列，并研究了溫度、升溫速率等因素對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)的影響，研究了α-Fe2O3納米片陣列的生長(zhǎng)過(guò)程和形成機(jī)理;然后采用電

4、化學(xué)陽(yáng)極氧化法在純Fe片上制備出一維納米結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3納米管陣列，并研究了電解液中F-濃度、水的含量、陽(yáng)極氧化電壓、陽(yáng)極氧化時(shí)間以及電解液溫度等因素對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)的影響。研究了α-Fe2O3納米管陣列的生長(zhǎng)過(guò)程和形成機(jī)理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，α-Fe2O3納米管陣列的形成也需經(jīng)歷致密阻擋層形成、多孔氧化膜形成和納米管穩(wěn)定生長(zhǎng)三個(gè)主要反應(yīng)階段;同時(shí)α-Fe2O3的場(chǎng)致氧化速率、場(chǎng)致溶解速率及F-離子對(duì)Fe2O3的化學(xué)溶解速率是納米管形成的關(guān)

5、鍵因素。
　　(2)為了進(jìn)一步提高Fe2O3催化劑的光催化活性，本文采用熱處理法在純Fe片上制備出α-Fe2O3納米片陣列，然后通過(guò)水熱法成功合成α-Fe2O3/SnO2納米片陣列光催化劑。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、能譜分析儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)和紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-Vis)等多種表征手段，分析α-Fe2O3/SnO2納米片陣列的形貌、晶體結(jié)構(gòu)和光吸收性質(zhì)等特征。在紫外

6、光照射下，α-Fe2O3/SnO2納米片陣列對(duì)有機(jī)污染物亞甲基藍(lán)(MB)有較高的光催化活性，當(dāng)光催化降解4h后降解率可達(dá)到70％，而α-Fe2O3納米片陣列降解亞甲基藍(lán)的降解率僅為10％。α-Fe2O3/SnO2復(fù)合光催化劑在5次光催化降解循環(huán)后仍能保持良好的活性。利用半導(dǎo)體催化劑能帶結(jié)構(gòu)的估算，揭示α-Fe2O3/SnO2納米片陣列光催化活性增強(qiáng)的原因是電子空穴對(duì)的有效分離。
　　(3)α-Fe2O3/WO3異質(zhì)結(jié)納米線陣列用熱

7、處理法和水熱法兩步法制備。首先采用熱處理法在純Fe片上制備出α-Fe2O3納米線陣列，然后以Na2WO4·2H2O為鎢源，通過(guò)水熱反應(yīng)在α-Fe2O3納米線陣列表面負(fù)載WO3納米粒子，制備了α-Fe2O3/WO3復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。采用SEM、EDS、XRD、TEM、UV-Vis等多種表征手段，分析α-Fe2O3/WO3納米線陣列的形貌、晶體結(jié)構(gòu)和光吸收等特征。探究了α-Fe2O3/WO3復(fù)合納米材料可見(jiàn)光催化降解污染物的性能，由于兩種半導(dǎo)體

8、導(dǎo)帶能級(jí)的差異，F(xiàn)e2O3經(jīng)光照后的光生載流子能夠轉(zhuǎn)移到其表面的WO3。半導(dǎo)體WO3對(duì)α-Fe2O3納米線的表面修飾能夠起到促進(jìn)Fe2O3光生電子和空穴分離的作用，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的可見(jiàn)光催化性能。同時(shí)，α-Fe2O3/WO3納米線陣列在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域?qū)梢?jiàn)光的吸收高于Fe2O3納米線陣列和WO3納米片，有助于光催活性的提高。
　　(4)α-Fe2O3/ZnO異質(zhì)結(jié)納米管陣列采用陽(yáng)極氧化法及水熱法兩步法制備。采用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法在純Fe

9、片上制備出一維納米結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3納米管陣列，然后運(yùn)用水熱法在不同的條件下負(fù)載ZnO，形成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，延遲光生電子和空穴的復(fù)合，進(jìn)一步提高Fe2O3材料的光催化效率。利用SEM、EDS、XRD、TEM、UV-Vis等分析手段對(duì)所得樣品進(jìn)行了形貌、晶體結(jié)構(gòu)和光催化性能的表征。結(jié)果表明構(gòu)建了一種晶化良好，納米管陣列異質(zhì)結(jié)構(gòu)α-Fe2O3/ZnO復(fù)合物。UV-Vis光譜結(jié)果表明α-Fe2O3/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米管陣列在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域?qū)梢?jiàn)光

10、的吸收能力高于純?chǔ)?Fe2O3納米管陣列。在可見(jiàn)光的照射下，α-Fe2O3/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米管陣列光催化降解亞甲基藍(lán)的效率(85％)優(yōu)于α-Fe2O3納米管陣列(20％)和ZnO納米片(15％)。這種高效的光催化活性主要是由于Fe2O3作為電子受體，使光生電子空穴對(duì)在異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面有效的分離。
　　(5)α-Fe2O3/TiO2復(fù)合納米材料采用陽(yáng)極氧化法及水熱法兩步法制備。在氟化銨-乙二醇體系中，采用陽(yáng)極氧化法在鐵基體上制備了α-

11、Fe2O3納米管陣列，然后以氟鈦酸銨為鈦源，采用水熱法在α-Fe2O3納米管陣列上負(fù)載TiO2納米片，制備出具有良好可見(jiàn)光響應(yīng)性能的α-Fe2O3/TiO2納米管陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)。利用SEM、EDS、XRD、TEM分析Fe2O3/TiO2納米管陣列的表面形貌和物相結(jié)構(gòu)，利用UV-Vis研究了α-Fe2O3/TiO2納米結(jié)構(gòu)對(duì)亞甲基藍(lán)的可見(jiàn)光降解能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水熱反應(yīng)3h的樣品表現(xiàn)出最高的降解效率，水熱反應(yīng)4h能夠達(dá)到90％，而α-Fe2