SnS2/ZnO异质结的制备及性能研究

摘要

光催化技术是一种绿色高效的环境治理技术，已很好地应用在空气治理、废水降解和土壤污染治理等领域。SnS2是具有较窄禁带宽度(2.2ev)的n型半导体，吸收可见光能力强，但其光生电子和空穴会容易复合，导致光催化性质较差。ZnO是具有较宽禁带宽度(3.2ev)的n型半导体，具有较高的电子迁移率和较快的光生电子传输速度，是性能优异的光催化剂，但因其带隙较宽，只能吸收到紫外光。它们都具有良好的物理化学性质并且价格低廉等优点，因此被普遍应用。但利用单一的材料作为光催化剂或气敏材料存在一些缺点，所以通过对两种半导体进行复合，充分发挥各自优点，以提高其光催化性能和气敏性质是很有意义的课题。
　　本文以四氯化锡和硫代乙酰胺为原料，分别用水热法和溶剂热法合成不同形貌的SnS2，再用沉淀法掺杂不同量ZnO，得到SnS2/ZnO异质结。采用X射线衍射(XRD)、高分辨场发射扫描电镜(FE-SEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、荧光光谱(PL)等表征手段对制备样品的晶体结构、组成、形貌和光学性质进行表征，并对样品进行了光催化测试和气敏性能测试。主要研究内容和结果如下:
　　1.以四氯化锡、硫代乙酰胺、柠檬酸为原料，采用水热法合成颗粒状SnS2，再用沉淀法掺杂不同量ZnO，合成了不同掺杂量的SnS2/ZnO异质结，并进行了光催化性能和气敏性能测试。结果显示，ZnO掺杂量为1％的SZ-1的光催化降解效果最好，在可见光照射80min下对20mg/L K2Cr2O7的降解率达到100％，比纯SnS2的降解效率(76％)提高了24％，比纯ZnO(14％)提高86％。另外，用SZ-1材料制备的气敏元件对NO2表现出良好的气敏性能。在最佳工作温度255℃下，对10ppm NO2的灵敏度达到466，是纯SnS2(172)的2.7倍，是纯ZnO(2.2)的212倍。对低浓度(1ppm)NO2的灵敏度仍可达12.3，可在较宽泛的范围内检测NO2。同时，SZ-1元件响应恢复时间短，分别仅为7s和49s。且具有较高的选择性和持久稳定性。这与其带隙、荧光、异质结结构有关。
　　2.采用溶剂热法，以四氯化锡、硫代乙酰胺为原料，乙醇为溶剂，采用水热法合成花状SnS2，再用沉淀法掺杂不同量ZnO，合成不同掺杂量的SnS2/ZnO异质结，并进行了光催化性能和气敏性能研究。结果显示，ZnO掺杂量为1％的SZ-1的光催化降解效果最好，在可见光照射120min下对20mg/L K2Cr2O7的降解率达到45％，比纯SnS2的降解效率(30％)提高了15％，比纯ZnO(17％)提高28％。另外，用SZ-1材料制备的气敏元件对NO2表现出良好的气敏性能。在最佳工作温度255℃下，对10ppmNO2的灵敏度达到363.5，是纯SnS2(81.2)的4.5倍，是纯ZnO(2.2)的165.2倍。对低浓度(5ppm) NO2的灵敏度仍可达51.5，可在较宽泛的范围内检测NO2。同时，SZ-1元件响应恢复时间短，分别仅为3s和49s。且具有较高的选择性和持久稳定性。这与其带隙、荧光、异质结结构有关。
　　3.以硝酸锌、柠檬酸和棉纤维为原料，通过先溶胶-凝胶后煅烧方法制备具有较高可见光催化活性和乙醇气敏性能的松针状ZnO。研究了不同煅烧温度和不同升温速率对形貌和光催化性能的影响。结果显示，煅烧温度为500℃、升温速率为3℃/min下制得的ZnO-3形貌为均一的松针状，光催化活性最好。在60min可见光照射下，对10mg/L活性黑的降解率达到97.7％。在煅烧温度为500℃、升温速率为5℃/min下制得的ZnO-5的气敏性质最好。在最佳工作温度350℃下，对100ppm乙醇的灵敏度达到516。对低浓度(5ppm)乙醇的灵敏度仍可达12，可在较宽泛的范围内检测乙醇。同时，ZnO-5元件响应恢复时间短，分别仅为15s和7s。且具有较高的选择性和持久稳定性。这可能与其粒径大小、结晶程度、带隙大小、荧光性质有关。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 光催化技术及光催化剂概述

1．2．1 光催化技术发展与研究现状

1．2．2 半导体光催化基本原理

1．2．3 提高半导体光催化材料活性的方法

1．2．4 半导体异质结光催化剂概述

1．3 气敏传感器及气敏材料概述

1．3．1 气敏传感器的发展与研究现状

1．3．2 半导体气敏传感器敏感机理

1．3．3 提高半导体气敏材料性能的方法

1．3．4 异质结气敏材料概述

1．4 SnS2的制备方法和应用

1．5 论文的研究内容及创新点

1．5．1 研究内容

1．5．2 创新点

第二章 实验试剂、仪器和研究方法

2．1 实验主要试剂

2．2 实验主要仪器

2．3 分析测试仪器

2．4 研究方法

2．4．1 光催化降解Cr(VI)测试

2．4．2 光催化降解染料测试

2．4．3 气敏元件的制备及性能测试

第三章 颗粒状SnS2／ZnO异质结的光催化及气敏性能研究

3．1 实验部分

3．1．1 样品的制备

3．1．2 分析测试

3．1．3 光催化性能测试

3．1．4 气敏元件的制备及性能测试

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 XRD分析

3．2．2 EDS能谱分析

3．2．3 SEM分析

3．2．4 光学性质分析

3．2．5 光催化性能分析

3．2．6 SnS2／ZnO异质结能带结构及光催化机理

3．2．7 气敏性能分析

3．2．8 NO2敏感机理

3．3 本章小结

第四章 花状SnS2／ZnO异质结的光催化性能及气敏研究

4．1 实验部分

4．1．1 样品的制备

4．1．2 分析测试

4．1．3 光催化性能测试

4．1．4 气敏元件的制备及性能测试

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 XRD分析

4．2．2 EDS能谱分析

4．2．3 SEM分析

4．2．4 光学性质分析

4．2．5 光催化性能分析

4．2．6 气敏性能分析

4．3 本章小结

第五章 松针状ZnO的制备及其光催化性能和气敏性能研究

5．1 实验部分

5．1．1 样品的制备

5．1．2 分析测试

5．1．3 光催化性能测试

5．1．4 气敏性能测试

5．2 实验结果与讨论

5．2．1 煅烧温度对光催化性能的影响

5．2．2 煅烧升温速率对光催化性能的影响

5．2．3 气敏性能研究

5．2．4 敏感机理和影响气敏性能的原因分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的科研成果

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