基于氧缺陷和金属缺陷调控的高效光催化剂研究

摘要

随着能源短缺和环境污染问题的日益严重，基于太阳能驱动的光催化技术在能源和环境化工领域受到越来越多的关注。光催化技术的核心在于提高光催化剂的光生电荷分离传递效率，而半导体光催化剂的缺陷位调控对此尤为重要，因此缺陷位调控研究将为高效光催化体系的设计和构建提供重要理论基础。本文主要对常见氧化物光催化剂TiO2和ZnO进行了缺陷位调控，包括氧缺陷调控和金属缺陷调控，并基于氧缺陷型半导体和金属缺陷型半导体构建了p-n同质结。随后系统研究了缺陷位调控与光催化性能的构效关系。 首先，从氧缺陷调控出发，采用乙醇-乙二醇溶剂热法一步可控合成了氧缺陷型 ZnO双层空心球。研究发现乙二醇的含量和溶剂热时间对氧缺陷的引入和双层空心结构的形成起到关键作用。与 ZnO纳米颗粒相比，氧缺陷和双层空心结构提高了 ZnO对光的利用率、电荷分离传递性能和传质性能。特别地，具有合适的氧缺陷浓度和双层空心结构时，ZnO将具有较高的光催化活性。结果表明氧缺陷调控和复杂空心结构的构建可有效提高光催化剂的性能。 其次，与常被研究的氧缺陷不同，半导体中金属缺陷位的调控鲜有报道，本工作通过溶剂热-焙烧法首次合成了富含金属缺陷的Zn0.925O和Ti0.905O2。DFT理论计算和实验结果表明金属缺陷的存在可以：改变晶格常数；降低相邻原子的电荷密度；导致XPS结合能升高并产生新的EPR信号。与常规ZnO和TiO2不同，金属缺陷型ZnO和TiO2从本征n型半导体变为p型半导体，并具有室温下较强的铁磁性。同时，金属缺陷导致ZnO和TiO2价带发生宽化，提高光生载流子的分离效率，从而表现出更高的光催化活性。这表明金属缺陷调控可以改变半导体的结构特征和物化性质，是构建高效光催化体系的一种具有指导意义的设计思路。 最后，基于氧缺陷型半导体和金属缺陷型半导体的原位复合构建了p-n同质结，进一步提高了电荷分离传递效率。借助二次生长法得到的样品具有p-n同质结的典型特征：“V”型莫特-肖特基曲线，起始电位向阳极方向偏移以及电化学阻抗谱图中两个半圆环等。p-n同质结的存在实现了光生电子和空穴的空间分离，界面处较大的内电场使其在促进光生电荷分离方面比单一半导体和n-n II型同质结更为有效。说明p-n同质结的构建是提高光生电荷分离效率的有效手段，为设计和构建高效光催化体系提供了新的策略。

目录

声明

第1章文献综述

1.1前言

1.2半导体光催化技术

1.3光催化技术面临的问题及解决方法

1.4选题意义和研究内容

第2章氧缺陷型ZnO双层空心球的构建及光催化性能研究

2.1引言

2.2实验方法

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第3章金属缺陷型ZnO的构建及光催化性能

3.1引言

3.2实验方法

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第4章金属缺陷型TiO2的构建及光催化性能

4.1引言

4.2实验方法

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第5章基于氧缺陷型半导体和金属缺陷型半导体的p-n同质结

5.1引言

5.2实验方法

5.3量子点自修饰的TiO2 p-n同质结

5.4纳米颗粒修饰的ZnO p-n同质结

5.5本章小结

第6章结论和展望

6.1主要结论

6.2本工作创新点

6.3展望

参考文献

参加科研和发表论文情况

致谢