光电协同作用下TiO-CdS薄膜体系的单/双光束诱导光催化研究

摘要

TiO2光催化技术具有重要的应用前景，是国际上广泛研究的课题。然而，由于TiO2的光生载流子的复合速度快，量子产量低，禁带宽度较大，光谱响应范围窄，不利于太阳光中可见光部分的有效利用，这些都严重限制了TiO2光催化材料的广泛应用。因此，为了提高催化效率和利用可见光，本文开展了以下几个方面的研究工作： (1)采用反应磁控溅射法制备出锐钛矿纳米TiO2薄膜，通过UV-Vis光谱、XRD、SEM、FE-SEM和Raman等测试技术对样品进行表征，确定用来做光催化实验的TiO2薄膜的制备条件是：基片温度为290℃，溅射时间为60 min。这时制备出的TiO2薄膜膜厚适中、禁带宽度为3.21 eV、致密、平整、光滑、晶粒分布均匀。 (2)采用CBD法制备出纳米CdS薄膜，通过UV-Vis光谱，XRD、SEM、FE-SEM和Raman等测试技术对样品进行表征，确定用来做光催化实验的CdS薄膜的制备条件是：油浴温度80℃，pH 10，沉积时间120 min，Cd2+/S2-=2:25。此条件下可制备出致密、平整、光滑的纳米CdS薄膜，其晶粒大小大约40 nm。 (3)采用自制光电催化反应装置，比较了TiO2、CdS和TiO2-CdS薄膜的光催化和光电催化效果，进行了以TiO2薄膜为工作电极，CdS薄膜为对电极的TiO2-CdS薄膜体系的恒电流电场作用光催化研究，考察了单光束紫外光照射TiO2薄膜、可见光照射CdS薄膜和双光束诱导光电协同作用光催化性能，最后对TiO2-CdS薄膜体系在施加系统恒电流和恒电位的光电催化实验做了详细研究。结果表明，光电催化的降解效率明显高于光催化效率，TiO2-CdS薄膜双光束诱导光(电)催化效率明显优于单光束TiO2薄膜和CdS薄膜的光(电)催化活性之和，同时，在负恒电流和正偏压的电场作用下，可将TiO2薄膜上的电子反向抽取到CdS薄膜上，随电流和电压绝对值的增加，其光催化效率增强。 (4)通过对光电催化前后的TiO2薄膜和CdS薄膜进行表征，同时测试TiO2薄膜的V-I曲线和光催化性能，得出一定时间的光电催化过程能提高薄膜的结晶程度，可使TiO2薄膜形成连通介孔网络结构，进而提高光电流和光催化性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2半导体光催化反应原理

1.3TiO2与CdS的结构和能带位置

1.3.1 TiO2与CdS的结构

1.3.2 TiO2与CdS的能带位置

1.4光催化研究现状

1.4.1使用不同的掺杂方法

1.4.2材料表面改性

1.4.3使用异质结形态的光催化剂

1.4.4使用染料敏化的可见光诱导方式

1.4.5外加电场对TiO2多相光催化氧化的增强效应

1.5TiO2薄膜和CdS薄膜的制备

1.5.1TiO2薄膜的制备

1.5.2 CdS薄膜的制备

1.6选题目的和意义

第2章TiO2薄膜制备与表征

2.1实验与测试

2.1.1试样制备

2.1.2物性分析测试

2.2结果与讨论

2.2.1 XRD分析

2.2.2 Raman分析

2.2.3 FE-SEM分析

2.2.4基片温度对TiO2薄膜紫外—可见光谱透过率曲线的影响

2.2.5溅射时间对TiO2薄膜紫外—可见光谱透过率曲线的影响

2.2.6溅射时间对TiO2薄膜禁带宽度的影响

2.3小结

第3章CdS薄膜制备与表征

3.1 CBD法原理

3.2实验与测试

3.2.1试样制备

3.2.2物性分析测试

3.3结果与讨论

3.3.1沉积时间、温度和pH值对CdS薄膜紫外—可见光谱透过率的影响

3.3.2沉积时间对CdS薄膜禁带宽度的影响

3.3.3退火温度对CdS薄膜性能的分析

3.3.4不同Cd2+/S2-摩尔比制得的CdS薄膜的表征和分析

3.4小结

第4章TiO2-CdS薄膜光电诱导光催化研究

4.1实验

4.1.1实验装置

4.2光催化活性评价

4.3光催化性能测试与分析

4.3.1光催化与光电催化甲基橙溶液比较

4.3.2光电协同作用反向抽取电荷的光催化研究

4.3.3不同恒电流的电场作用下光电协同光催化研究

4.3.4不同恒电压的电场作用下光电协同的光催化研究

4.4小结

第5章光电协同作用对TiO2和CdS薄膜的结构、光电和光催化性能的影响

5.1实验

5.2物性分析测试

5.2.1 XRD侧试

5.2.2 Raman测试

5.2.3场发射扫描电镜

5.2.4 V-I曲线

5.3结果与讨论

5.3.1TiO2薄膜和CdS薄膜的XRD分析

5.3.2 TiO2薄膜和CdS薄膜的Raman分析

5.3.3TiO2薄膜和CdS薄膜的FE-SEM分析

5.3.4 TiO2薄膜的V-I曲线

5.3.5 TiO2薄膜的光催化性能

5.4小结

第六章结论

参考文献

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