二氧化鈦、氧化鋅基納米結(jié)構(gòu)薄膜的改性和光催化
發(fā)布時間：2020-04-23
半導體光催化技術(shù)已經(jīng)成為解決環(huán)境污染與能源短缺兩大未來發(fā)展難題的有力武器，因其具備光化學穩(wěn)定、紫外光光催化效率高、環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)勢，在制備光伏電池、生產(chǎn)清潔能源、光降解水體與氣體中污染物等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。
目前研究較廣、應(yīng)用較多的光催化劑之一就是寬禁帶半導體二氧化鈦，直接帶隙半導體氧化鋅是二氧化鈦外另一種有前途的半導體光催化材料。這兩種材料的帶隙寬度十分接近，但由于僅對紫外光有響應(yīng)，其實際應(yīng)用受到極大限制。雖然近年來已經(jīng)展開了大量光催化劑半導體的改性工作，但研究對象大部分還是粉末材料，且主要依靠化學改性對其能帶結(jié)構(gòu)、表面態(tài)等產(chǎn)生影響，進而在光催化中提高催化效率或是擴展吸收光譜范圍。
目前，光催化劑與技術(shù)的發(fā)展依然面臨著如何控制成本、擴展光響應(yīng)范圍、提高效率、提高產(chǎn)品循環(huán)使用率、簡化產(chǎn)品回收等問題的挑戰(zhàn)。
將二氧化鈦、氧化鋅作為主要的研究對象，進行合成、光催化、物理與化學雙重改性的應(yīng)用研究，重點發(fā)展高效的新型二氧化鈦、氧化鋅基光催化劑。研究主要分成三大塊：第1部分，采用新穎、簡單的制備工藝，直接在二氧化硅蛋白石模版中，通過液相沉積的方法制備具有介孔和有序大孔分等級結(jié)構(gòu)、氟與氮共摻雜的二氧化鈦薄膜。該結(jié)構(gòu)從光子晶體反蛋白石的三維有序大孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上衍生出的，是一種具有可見光響應(yīng)、良好的循環(huán)性能、光吸收增強、回收簡便的光催化劑薄膜材料。
探討樣品的可見光催化響應(yīng)機制，并分析光子晶體反蛋白石結(jié)構(gòu)對慢光子效應(yīng)與多重散射效應(yīng)中的重要效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)連續(xù)波長光激發(fā)的光催化反應(yīng)，多重散射效應(yīng)和慢光子效應(yīng)相比，引發(fā)的光化學放大作用更加明顯。
第二部分，在氧化鋅反蛋白石的基礎(chǔ)上，對二氧化鈦進行選擇性腐蝕和液相沉積，得到成分和拓撲形貌可控的氧化鋅/二氧化鈦復合反蛋白石薄膜。和一般密堆積排列三維有序大孔的反蛋白石不同，生成樣品可兼具非密堆積三維有序大孔結(jié)構(gòu)及特殊的聯(lián)通通道。
通過改變液相沉積時間，可以輕易控制反蛋白石的孔壁厚度與膜組分。研究反應(yīng)所得反蛋白石的組分變化機理及拓撲形貌，發(fā)現(xiàn)組分和拓撲形貌均對反蛋白石薄膜的光催化性能存在顯著的影響。
第三部分，采取簡單的離子交換法，將硫化銀添加至負載硫化鎘的氧化鋅納米柱陣列二元結(jié)構(gòu)中，得到負載硫化鎘/硫化銀的氧化鋅一維納米柱陣列三元結(jié)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)進行表征。對比研究一元、二元、三元氧化鋅納米柱陣列結(jié)構(gòu)的光催化性能，提出三元結(jié)構(gòu)的紫外光催化效果增強機理與光生電荷遷移機制。系統(tǒng)性研究二氧化鈦、氧化鋅基納米結(jié)構(gòu)薄膜光催化劑的制備、催化性能、改性，從物理及化學概念兩個方面共同設(shè)計與改性光催化劑，制備可見或紫外光光催化活性增強的薄膜光催化劑。
