非金属掺杂半导体纳米材料的合成、表征及其光催化性质的研究

摘要

近年来，纳米半导体光催化剂由于在降解环境中的有机污染物和太阳能光解水等方面具有潜在的应用价值而成为研究的热点。半导体光催化技术克服了许多传统方法的不足，但是，光催化效率低和太阳能利用率低等问题阻碍了半导体光催化材料的推广和应用。在过去的几年里，许多研究者一直在努力地探索改性半导体纳米材料的方法和途径，其中，非金属掺杂就是一种有效的方法。
　　 本论文在总结前人工作经验的基础上，选择具有优异性能的钨酸锌和氧化铟作为研究对象，发挥水热技术在控制材料的微结构、彤貌和尺寸方面的优势，合成了钨酸锌和氧化铟纳米结构，并通过掺杂非金属元素，有效地提高了光催化效率。
　　 具体内容如下：
　　 1.钨酸锌纳米线的制备。利用水热技术，在不添加任何表面活性剂的条件下，成功地制备了钨酸锌纳米线，所得产物产率高、结晶性好，钨酸锌纳米线的长度超过600nm，直径在10-20nm，具有较高的长径比。实验证明pH值和反应时间对产物的形貌具有重要的影响。根据实验结果我们得出钨酸锌纳米线的形成遵循“奥氏熟化”原理。对所得产物进行了光催化罗丹明B实验，证实了此纳米线具很好的光催化性。
　　 2.氟掺杂钨酸锌纳米棒的制各及其光催化性能的研究。我们通过实验和基于密度泛函理论(DFT)的能带结构的计算方法综合研究了氟问隙掺杂的钨酸锌纳米晶。通过两步水热技术成功地制备了氟掺杂的钨酸锌纳米棒。研究结果表明Fi-ZnWO4纳米棒与纯相的钨酸锌纳米棒相比，在UV-vis区域内吸收增强并且吸收边发生红移，在紫外光照射下光催化降解RhB的光催化效率明显的提高。形貌和结晶情况对光催化作用也有很大的影响，Fi-ZnWO4纳米棒的光催化效率与氟掺杂的纳米颗粒的光催化效率相比有很大的提高。DFT计算结果表明了间隙掺杂的F在带隙中诱导形成定域态。从定域态到导带的跃迁可以用来解释吸收边发生的红移。计算结果也显示了Fi-ZnWO4比纯相的ZnWO4向低能量态移动了0.32eV，说明了光催化作用有更强的空穴氧化能力。
　　 3.碘掺杂氧化铟纳米棒的制备及其光催化性质的研究。在120℃水热条件下，制备了氢氧化铟纳米棒，通过高温煅烧，分别制备了纯相的In2O3和I-In2O3纳米棒，纳米棒长约300nm，直径约20nm。实验结果表明，I掺杂的氧化钢在可见光下降解亚甲基蓝具有较好的光催化反应活性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 半导体纳米材料

1.2.1 半导体纳米材料的特殊性质

1.2.2 半导体纳米材料的分类

1.2.3 半导体纳米材料的研究现状与应用

1.3 光催化

1.3.1 光催化技术简介

1.3.2 光催化原理

1.3.3 光解水的原理

1.3.4 光催化技术应用概述

1.3.5 半导体光催化材料研究进展

1.4 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 钨酸锌纳米线、氟掺杂钨酸锌纳米棒的制备及光催化性能的研究

2.1 前言

2.1.1 钨酸锌简介

2.1.2 钨酸锌光催化剂的研究现状

2.1.3 本章的研究目的及内容

2.2 钨酸锌纳米线的水热制备

2.2.1 引言

2.2.2 实验部分

2.2.3 结果与讨论

2.2.4 小结

2.3 氟掺杂钨酸锌纳米棒的制备及光催化性能的研究

2.3.1 引言

2.3.2 实验部分

2.3.3 结果与讨论

2.3.4 本节小结

2.4 本章小结

参考文献

第三章 碘掺杂氧化铟纳米棒的制备及其光催化性质的研究

3.1 前言

3.1.1 氧化铟简介

3.1.2 研究背景和主要研究内容

3.2 碘掺杂立方相氧化铟纳米棒的制备

3.2.1 实验部分

3.2.2 结果与讨论

3.3 本章小结

参考文献

致谢

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