可見光響應(yīng)半導(dǎo)體光催化劑的制備及其性能研究.pdf

1、通過(guò)抑制光催化劑光生電子和光生空穴的復(fù)合，或者將光響應(yīng)范圍拓展到可見光區(qū)是提高半導(dǎo)體光催化效率最有效的方法，同時(shí)也是光催化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文在總結(jié)半導(dǎo)體光催化劑研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，旨在通過(guò)金屬離子摻雜，拓展寬禁帶納米半導(dǎo)體的光譜響應(yīng)范圍；超聲誘導(dǎo)半導(dǎo)體核殼復(fù)合，設(shè)計(jì)具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的復(fù)合體，抑制光生載流子的復(fù)合，研發(fā)具有高可見光催化性能的光催化劑。 采用沉淀一水熱法，以硝酸鎘(Cd(NO<,3>)<,2>)、硝酸鋅(Zn(NO<

2、,3>)<,2>)和硫化鈉(Na<,2>S)為原料，制備了Cd摻雜的納米光催化劑Cd<,x>Zn<,1-x>S(x=0～1)；采用聲化學(xué)法、溶膠凝膠法控制核殼微觀結(jié)構(gòu)(表面形貌、殼層厚度)，制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的CdS@TiO<,2>納米復(fù)合半導(dǎo)體。通過(guò)X射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)、光致發(fā)光譜(PL)、紫外可見漫反射譜(DRS)、掃描電鏡(SEM)等對(duì)其進(jìn)行了表征；通過(guò)可見光下對(duì)甲基橙(MO)的降解來(lái)研究其光催化性能及光催化機(jī)

3、制。 采用簡(jiǎn)單低成本的沉淀-水熱法制備的光催化劑Cd<,x>Zn<,1-x>S，具有均勻的合金結(jié)構(gòu)。隨著鎘含量的增加，衍射峰逐漸向低角度產(chǎn)生位移，并且從立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)向六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。Cd<,x>Zn<,1-x>S顆粒尺寸均勻，大約在25～35nm之間。隨著鎘摻雜量增加，粒徑逐漸長(zhǎng)大。納米Cd<,x>Zn<,1-x>S的禁帶寬度與成分接近呈線性關(guān)系，顯示出隨化學(xué)組成的改變而連續(xù)可調(diào)的光學(xué)性質(zhì)。Cd<,x>Zn<,1-x>S的

4、吸收帶邊、帶邊發(fā)射和深能級(jí)發(fā)射的位置均隨著鎘含量的增加呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律，均向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)；Cd<,x>Zn<,1-x>S的帶邊發(fā)射主要是由于固體表面態(tài)的載流子復(fù)合，而深能級(jí)發(fā)射和硫缺陷有關(guān)。納米Cd<,x>Zn<,1-x>S具有優(yōu)異的光催化性能，在全波段光源照射1h后甲基橙的殘留率僅為3％～13％。在可見光下，Cd<,x>Zn<,1-x>S的催化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于P25。這是由于Cd<,x>Zn<,1-x>S禁帶寬度變窄，從而拓展了其光譜

5、響應(yīng)范圍。最后，應(yīng)用紫外可見吸收光譜，研究分析了Cd<,x>Zn<,1-x>S樣品可見光降解甲基橙的具體過(guò)程。 采用聲化學(xué)法、溶膠-凝膠法制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的光催化劑CdS@TiO<,2>，研究了超聲時(shí)間、原料配比、膠體制備、體系pH值對(duì)核殼結(jié)構(gòu)形成的影響，提出了最佳的最適宜的工藝參數(shù)。高能超聲本征的沖擊波、微射流都有效地促進(jìn)了納米CdS的分散性；體系空泡破裂過(guò)程伴隨極端條件(瞬間高溫、高壓、快冷)的觸發(fā)，有效促進(jìn)核殼結(jié)構(gòu)的生成

6、，改變超聲工藝可以實(shí)現(xiàn)TiO<,2>殼層厚度的可控調(diào)節(jié)。用聚乙烯亞胺(PEI)對(duì)CdS納米顆粒進(jìn)行表面改性，能夠大幅度提高Cds納米顆粒表面的等電點(diǎn)；調(diào)節(jié)pH值可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合組分分別帶異種電荷，促使靜電吸引，使Ti(OH)<,4>易于包覆在CdS顆粒的表面。屬于Type Ⅱ類型核殼結(jié)構(gòu)的CdS@TiO<,2>，通過(guò)分析甲基橙溶液降解前后的吸收光譜，其在可見光區(qū)域具有較高的光催化活性，這是由于在激發(fā)過(guò)程中，光生載流子分別被局域在核和殼層中得