三氧化鎢基異質(zhì)結(jié)半導體光催化劑的制備及其光電催化性能研究.pdf

1、半導體光催化技術(shù)在解決人類面臨的環(huán)境污染和能源緊缺兩大問題上顯示了優(yōu)越的性能。氧化鎢基半導體光催化劑由于具有可見光吸收、易制備等優(yōu)點，一般被應用在光催化降解有機染料和裂解水等領(lǐng)域。然而，較低的量子效率，較高的光激載流子復合幾率等問題限制了氧化鎢在光催化領(lǐng)域的發(fā)展。人們針對優(yōu)化氧化鎢基半導體光催化劑做了大量的研究。其中，通過構(gòu)筑有效的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，一方面可以在界面處構(gòu)建內(nèi)電場，促進光激電子-空穴對的分離，另一方面可以利用窄帶系半導體敏化寬帶隙

2、半導體，提高光響應范圍，因此被認為是一種高效的改性方法。本論文針對氧化鎢基半導體光催化劑在制備和應用中面臨的實際問題，采用理論和實驗相結(jié)合的研究方法，構(gòu)建了同質(zhì)異相結(jié)和肖特基結(jié)兩種異質(zhì)結(jié)光催化劑，改善了氧化鎢基半導體光催化劑的光催化和光電催化性能，并進一步揭示了兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的改性機理。一方面，基于氧化鎢在制備中多晶相、易調(diào)控的特點，通過構(gòu)筑同質(zhì)異相結(jié)對其進行改性修飾，并探索形成氧化鎢基同質(zhì)異相結(jié)的微觀機制，揭示了半導體光響應能力、電子遷

3、移速率以及能帶匹配之間的關(guān)系。另一方面，通過在氧化鎢薄膜上負載金納米顆粒構(gòu)筑肖特基結(jié)，探索金納米顆粒改善氧化鎢光電化學性能的作用機理，揭示了金納米顆粒的雙作用機制，為進一步設計新型高效的具有可見光活性的半導體光催化劑提供理論指導。主要研究內(nèi)容以及研究成果如下:
　　第一章的主要內(nèi)容是介紹本論文的研究背景和意義。簡單闡述了半導體光催化技術(shù)的基本原理、存在的問題、主要改性手段以及WO3基光催化劑的概況。此外，針對不同種類異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑的原

4、理和特點進行了詳細的介紹。最后闡述了本論文的選題思想和主要研究內(nèi)容。
　　第二章我們以構(gòu)筑同質(zhì)異相結(jié)為主要改性手段，針對WO3在實驗制備過程中多晶相、易調(diào)控的特點，通過構(gòu)筑同質(zhì)異相結(jié)對其進行改性研究，在此基礎(chǔ)上，探索了形成WO3基同質(zhì)異相結(jié)的微觀機制，揭示了半導體光響應能力、電子遷移速率以及能帶匹配三者之間的關(guān)系。XRD測試結(jié)果表明，我們采用一步水熱法，通過調(diào)控反應的pH值，成功制備了具有不同晶相組分的WO3同質(zhì)異相結(jié)光催化劑。S

5、EM和HRTEM測試結(jié)果表明，其主要由六方鎢青銅礦與立方燒綠石結(jié)構(gòu)組成，在該同質(zhì)異相結(jié)中，棒狀的六方相插入了塊狀的立方相中，形成類刺猬狀結(jié)構(gòu)。通過降解水中污染物(RhB)以及光催化裂解水產(chǎn)氧兩個實驗，對制備的光催化劑性能進行了評估。測試結(jié)果表明，WO3同質(zhì)異相結(jié)光催化劑較單一晶相的WO3在全光譜和可見光條件下均具有更高的光催化活性。機理分析表明，在同質(zhì)異相結(jié)的界面處形成了有效的內(nèi)建電場，促進了光激電子-空穴對的分離，進而改善了光催化劑的

6、光電化學性能。我們的研究為合成更高效的WO3基光催化劑提供了指導。
　　第三章我們以構(gòu)筑肖特基結(jié)為主要改性手段，針對WO3基半導體光催化劑空穴易參與反應的特點，通過構(gòu)筑Au/WO3肖特基結(jié)對其進行改性研究，在此基礎(chǔ)上，探索了Au納米顆粒改善WO3光電化學性能的作用機理，揭示了Au的雙作用機制。XRD、SEM和XPS測試結(jié)果表明，我們采用晶種-水熱法，通過調(diào)控反應中的pH值，成功制備了六方相WO3薄膜，再通過浸漬-煅燒法在WO3薄膜

7、上負載Au納米顆粒，實現(xiàn)了Au納米顆粒修飾的WO3光電極的制備。光電流密度測試結(jié)果表明，WO3肖特基結(jié)光催化劑具有比單一WO3更加優(yōu)異的光電化學性能。HRTEM和UV-vis測試結(jié)果表明，10-20nm的Au納米顆粒具有表面等離子體共振效應，可以將Au/WO3的光吸收范圍擴至700nm。Mott-Schottky曲線和理論計算結(jié)果表明，在Au/WO3界面處存在一內(nèi)建電場可以促進光激電子-空穴對的分離。機理分析結(jié)果指出，Au/WO3光電極