ZnMgO固溶体光催化剂的能带结构调控及其光电化学转换性能的研究

摘要

近年来，ZnO半导体材料因其低成本、高稳定性、无毒、环境友好等多个优点成为光催化领域新的研究热点，然而，ZnO半导体材料本身也存在导带电位不够负、光生载流子复合率高等缺陷。因此，本文在制备特殊形貌的高性能ZnO半导体材料基础上着力于 ZnO半导体材料的能带结构调控，通过 Mg的引入显著负移ZnMgO复合材料的导带电位，从而提高系列样品的光电化学性能，并探究能带结构变化对系列样品光电化学（PEC）性能的影响机理。 本文首先通过草酸共沉淀法制备了颗粒状纯相 ZnO 和 ZnMgO 固溶体纳米棒，研究结果表明ZnO的能带结构可以通过掺杂Mg元素来调节。且随着Mg含量的增加，ZnMgO固溶体的导带（CB）电位逐渐移向更负的位置，这对于半导体光催化析氢过程非常重要。测试结果表明Mg的掺杂摩尔比为50 %时，相应的50-ZnMgO复合光催化剂的导带电位最负（约为-0.46V vsNHE），并具有最佳的析氢效果，四小时的产氢量达到1103.9μmol/ g。 在ZnMgO固溶体材料的基础上，我们通过Ag掺杂来提升Ag/ZnMgO固溶体复合材料的光催化降解性能。研究结果表明Ag掺杂并不会改变固溶体材料的晶体结构与形貌，但是高温条件下Ag团聚生成了纳米颗粒，这些Ag的纳米颗粒可以有效的促进光生载流子的分离和迁移，从而提升 Ag/ZnMgO 固溶体复合材料的光催化降解性能。其中，掺杂比例为3%的Ag/ZnMgO复合材料具有最佳的降解性能，相比ZnMgO固溶体材料提升了一倍。 此外，我们通过水热法合成了类草丛状ZnO纳米棒，并通过原位电化学脉冲沉积在其表面沉积了一层厚度低于10 nm的Mg(OH)2包覆层。研究结果表明，随着样品处理温度的提升，ZnO表面的包覆层经历了从非晶态的Mg(OH)2包覆层到非晶态的MgO纳米颗粒包覆层最后到ZnxMg1-xO固溶体包覆层的转变。同时，不同的表面包覆层也使得复合材料表现出不同的光电化学阴极保护效果。一方面，致密的ZnxMg1-xO固溶体包覆层可以保护Zn-Mg-O@ZnO 700复合材料表面不受周围酸性环境的腐蚀；另一方面，ZnxMg1-xO固溶体包覆层具有更负的导带电位，因此可以促进光生电子的迁移，从而促进光生载流子的高效分离，进而提升复合材料对304 不锈钢（SS）电极的光电化学阴极保护性能。 总之，我们通过对ZnMgO固溶体材料的能带结构进行调控，有效地负移其导带电势，提升了复合材料的光催化析氢及光电化学阴极保护性能，这种通过调控能带来实现半导体材料性能优化的方法在半导体的研究过程中具有重要意义。

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