蝶翅分级结构可见-近红外等离子体复合光催化材料及其性能研究

摘要

如何开发出清洁、高效的新能源以及如何控制和治理能源带来的污染成为现代科学家们所亟需解决的重要课题，光催化是解决这一问题的最佳选择之一。但是目前光催化的效率仍然低下，一个重要原因是不能高效利用全波段的太阳光。
　　本研究首先通过测试和模拟证实了四种典型的蝶翅结构增强紫外-可见-近红外光吸收的作用并揭示了其结构增强光吸收的机制。然后提出了一个由等离子体纳米贵金属（金纳米棒）和蝶翅构型光催化半导体材料（钒酸铋）复合而成的远红光-近红外光波段的光催化体系，研究蝶翅精细三维结构对光吸收以及贵金属等离子体谐振的作用，从而揭示了蝶翅结构增强光催化性能的机制。采用遗态法制备了绿霓德凤蝶蝶翅构型的钒酸铋材料，然后负载上金纳米棒，测试了光降解异丙醇和光电性能；并采用了时域有限差分法对原始蝶翅和所制备的复合光催化体系进行了光学模拟。研究结果表明：蝶翅结构的光催化系统在700-800 nm波段照射下的光降解异丙醇性能和光电性能比无结构平板的分别高出100%和50%左右；这是由于（1）与无结构平板相比，蝶翅结构对远红光-近红外光波段（700-800 nm）的光吸收增强了大约25%；（2）由等离子体纳米贵金属表面等离子体谐振引起的电场强度在蝶翅结构的作用下大大增强，大约是无结构平板的3.5倍，这可以大大促进光催化半导体中电子空穴对的分离，从而大幅提升了光催化性能。该工作证明了蝶翅精细三维结构能够很大程度地增强贵金属等离子体谐振作用，为近红外光催化提供了一个新的思路和方法，对未来设计新型近红外响应器件也有潜在的指导作用。
　　最后，本研究以红珠灰蝶为生物模板，使用原子层沉积法制备三维构型二氧化钛光催化材料以增强其光捕获能力；使用种子生长法制备具有宽幅可见光波段吸收能力的等离子体共振金纳米棱结构，并将其负载于蝶翅构型二氧化钛上以得到全光谱响应的复合光催化体系；采用了扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、紫外-可见分光光度计、X射线衍射仪（XRD）等表征了所制备的样品；对样品进行了二氧化碳光还原性能测试，结果表明在全光谱照射下，负载有金纳米棱的蝶翅构型二氧化钛的二氧化碳光还原性能比无结构的提升了54%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1光催化研究概述

1.2自然界增强紫外可见近红外光吸收纳米分级结构概述

1.3等离子体纳米金属结构及其在光催化领域的应用概述

1.4选题意义和研究内容

第二章 蝶翅分级结构金纳米棒复合钒酸铋体系及其近红外光催化性能研究

2.1前言

2.2原始蝶翅鳞片的结构表征

2.3原始蝶翅鳞片的光学模拟及测试

2.4等离子体金纳米棒/钒酸铋复合光催化系统的制备

2.5复合光催化系统的光学模拟

2.6复合光催化系统的光降解异丙醇、光电测试及性能增强的机理研究

2.7本章小结

第三章 蝶翅构型TiO2/等离子体纳米金复合体系全光谱二氧化碳光还原特性研究

3.1引言

3.2原始蝶翅鳞片光学测试

3.3等离子体金纳米棱/二氧化钛复合光催化系统的制备

3.4复合光催化系统的光还原二氧化碳性能测试及机理研究

3.5本章小结

第四章 结论

参考文献

致谢

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