六种半导体纳米材料的制备及光电催化性能研究

摘要

近年来，由于工业的不断发展，大量人工有机污染物被排放到生活水源中去。这些被排放到生活用水中的有机污染物往往很难发生自然降解，更有一些有机染料和抗生素类有机物，在经过一些厌氧降解过程后会产生对人体极为有害的芳香胺类致癌物。于是，利用半导体材料对染料进行光催化降解成为了近年来科学界的一大热门研究课题。这种技术不仅可以利用太阳光分解水制氢提供一种清洁能源，还可以降解有机污染物解决环境污染问题。因此，利用半导体材料对染料进行光催化降解的技术被视为一种解决能源与环境问题的可行手段。
　　另一方面，能源危机制约着人类社会的可持续发展，如何有效地解决这一问题已成为目前人们关注的核心问题。自从Brian O'Regan与Michael Gr(a)tzel在1991年发明了染料敏化太阳能电池体系（DSCs），该体系由于具有操作简单，环保以及具有较高的太阳能转化为电能的能力等特点，被视为第三代可再生能源。尽管DSCs具有种种优势，然而其高昂的造价却使其在商业应用中受到了限制。其中一个主要待解决问题就是需要找到一种价格低廉且同样可以具有较高的太阳能转化为电能能力的对电极材料来取代贵金属Pt电极。尽管许多以解决此难题为目的的新型电催化剂材料被报道出来，但是在DSCs体系中依然存在着众多问题，例如合成新颖的对电极材料以及对电极材料结构与催化性能的关系等等问题。
　　基于上述讨论，我的文章主要做了以下几方面内容的工作：
　　1）合成了两种层状过渡金属氧化物纳米材料。i)通过无模板剂水热合成方法合成得到的层状花球Nb2O5材料。我们对材料的光催化降解有机染料的性能进行测试，结果是令人满意的。此外，我们将Nb2O5材料制作成锂离子电池负极材料，在低电流密度下测试其充放电及循环能力，Nb2O5电池展现了很好的电化学性能。其他Nb2O5相关的性能我们正在研究。ii)成功的合成了WO3·H2O纳米片，并在此基础上通过对实验方法的调节与控制合成了层状WO3·H2O空心球。我们对合成得到的两种WO3·H2O材料进行了光催化能力的测试，结果发现，由于层状WO3·H2O空心球具有独特的层状以及空心球等特性，使其在催化反应过程中拥有了更为显著地能力。
　　2）通过水热合成以及后续煅烧的两步法成功合成了微孔In2O3立方体。我们对In(OH)3–InOOH前驱体以及微孔In2O3立方体的形成机理进行了详细的分析。微孔In2O3立方体由于具有比表面积大的特点，在紫外灯光催化降解曙红B的试验中展现了良好的应用能力，其催化效果为商业化In2O3的10.5倍。在对其光催化降解机理的研究中，我们发现·OH，O2·-以及空穴均在催化反应过程中出现，优秀的催化能力为其三者共同作用的结果。
　　3）合成了两种过渡金属硫化物纳米材料。i)我们通过简单的水热合成方法成功的合成了Bi2S3纳米棒材料。这些Bi2S3纳米棒具有潜在的替代商业Pt电极运用到染料敏化太阳能电池中成为对电极的能力。我们通过物理混合的方法将氧化石墨烯引入了Bi2S3材料体系制成了含有不同量石墨烯的Bi2S3对电极，发现当石墨烯的量达到一个最合适值的时候，该电极的可以对I3-产生良好的催化还原作用，并且光电转化效率得到了大大的提升。ii)利用水热合成方法，分别使用氯化铟，硫代乙酰胺，聚乙烯醇作为In源，S源和模板剂，成功的得到了In2S3纳米管与石墨烯的复合材料。对该材料进行了电催化性能的测试，发现其在催化还原I-/ I3-对方面有很好的应用性能。另外，我们将材料制作成为染料敏化太阳能电池的对电极，发现其具有良好的光电转化效率。
　　4）利用溶剂热方法成功的合成了由超薄BiOCl纳米片所组成的3D层状BiOCl反应器。该反应器在紫外光照射下可以有效的将BPA分子降解并矿化为无机碳分子。通过DFT理论计算和正电子湮没技术的使用，我们对所合成的BiOCl产品的优越光催化性能进行了详细的分析与说明。我们相信这一工作将对更好的合成与理解3D层状超薄材料具有一定的指导意义。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

第一节 半导体催化剂在光降解有机污染物中的应用

第二节 半导体催化剂在染料敏化太阳能电池中的应用

第三节 本论文的选题意义和主要研究内容

参考文献

第二章 层状纳米结构的制备及其光催化性能研究

第一节 层状Nb2O5花球纳米材料的合成及其性能研究

第二节 层状WO3?H2O空心球的合成及其光催化能力的研究

第三节 本章小结

参考文献

第三章 In2O3立方体：合成，表征以及光催化能力的研究

第一节 引 言

第二节 实验部分

第三节 结果和讨论

第四节 本章小结

参考文献

第四章 石墨烯参与的过渡金属硫化物的合成以及电催化性能的研究

第一节 Bi2S3纳米棒的合成以及物理掺杂石墨烯对其在染料敏化太阳能电池中应用的影响

第二节 In2S3纳米管与石墨烯复合材料的制备及其电催化性能的研究

第三节 本章小结

参考文献

第五章 超薄层状BiOCl纳米反应器的制备及其光催化性能研究

第一节 引 言

第二节 实验部分

第三节 结果与讨论

第三节 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

致谢

个人简历