碳点敏化反蛋白石半导体氧化物薄膜的制备及其光电性能研究

摘要

荧光碳量子点作为碳基纳米材料“家族”新成员之一，除具有良好的荧光稳定性、无光闪烁、激发光谱宽而连续、发射波长可调谐、毒性低、生物相容性好等优点外，其优良光电转化性质已经引起人们的关注。然而，将碳点材料作为一种光电敏化剂提高半导体材料光电性质的研究目前并不多见。
　　TiO2是一种具有性能稳定性、良好的光活性、成本低廉和环境友好的半导体材料。但由于TiO2禁带宽度较大，只能吸收紫外区间太阳光（约占太阳光总能量4％），严重影响其对于太阳光利用率。基于此，如何提高光响应范围和量子效率成为TiO2光电材料研究的热点。Bi2O3也是一种重要的半导体材料，在氧化物半导体材料体系中占有重要的地位，其禁带宽度为2.8 eV，其在折射率，介电常数和光电导方面的优良性质使Bi2O3成为新一代半导体光催化剂的热门材料。而制备出多孔结构的材料、采用敏化剂进行敏化拓宽其光响应范围是提高TiO2、 Bi2O3光响应最有效的途径。本论文合成具有良好荧光性能的碳点材料，将所制备的荧光碳点材料作为敏化剂，敏化用光子晶体模板法制备的有序多孔TiO2、Bi2O3反蛋白结构薄膜，并研究了荧光碳点敏化作用对于两种氧化物半导体薄膜光电性质的影响。论文具体内容如下:
　　1.通过简单的水热法制备了具有良好荧光性能的含氮碳点，研究了不同水热温度、pH值和尿素加入量对所制备碳点材料荧光性能的影响。该含氮碳点材料对痕量Hg2+具有选择性荧光猝灭，将其作为一种简单、低成本的荧光探针用于检测痕量Hg2+的浓度，其最低检测极限可达到0.02μM。
　　2.采用乳液聚合的方法制备出多种不同粒径的PS微球，再利用垂直沉积自组装的办法制备出聚苯乙烯(PS)球光子晶体，以此为模板，钛酸异丙酯为前驱体，制备了反蛋白石结构的TiO2薄膜(IOS TiO2)。研究了不同粒径光子晶体薄膜对IOS TiO2结构的影响，首次将所制备的荧光碳点作为敏化剂敏化IOSTiO2薄膜。通过紫外可见漫反射光谱的测试显示碳点的敏化拓宽了IOS TiO2薄膜的光响应范围，提升了TiO2薄膜光电性能。碳点敏化后的IOS TiO2薄膜光电流提高了5倍。
　　3.以Bi(NO3)3·5H2O，一定比例的乙二醇、乙醇制备Bi2O3前驱体, PS光子晶体为模板，首次制备出了反蛋白石结构的Bi2O3薄膜(IOS Bi2O3)，讨论了退火温度对IOS Bi2O3薄膜物相及形貌的影响。然后用碳点敏化IOS Bi2O3薄膜。紫外可见漫反射光谱的测试显示，碳点的敏化增强了IOS Bi2O3薄膜对光的吸收。光电流测试表明，碳点敏化的IOS Bi2O3薄膜光电流显著提高。此外，我们通过光催化降解罗丹明B的实验证明了碳点敏化后的IOS Bi2O3薄膜的光催化性质得到较大提升，说明该薄膜还兼具备自清洁功能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 荧光碳点

1．1．1 荧光碳点材料概述

1．1．2 碳点的制备方法

1．1．3 碳点的应用

1．2 光子晶体及反蛋白石结构

1．2．1 光子晶体的概念

1．2．2 光子晶体的分类及应用

1．2．3 光子晶体的制备方法

1．2．4 三维光子晶体反蛋白石结构制备方法

1．2．5 反蛋白石结构研究进展

1．3 TiO2性质及应用

1．3．1 二氧化钛的基本性质

1．3．2 TiO2的应用

1．3．3 TiO2光电材料存在的问题

1．3．4 非金属元素掺杂

1．3．5 金属元素掺杂

1．3．6 半导体复合

1．3．7 染料敏化

1．4 Bi2O3的性质与应用

1．4．1 Bi2O3的基本性质

1．4．2 Bi2O3的主要应用

1．4．3 不同形貌的Bi2O3制备

1．5 本论文的设计思路与研究内容

参考文献

第二章 荧光碳点的合成及在痕量Hg(Ⅱ)离子检测方面的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂

2．2．2 仪器及表征

2．2．3 C-DotS的合成

2．3 结果与讨论

2．3．1 水热反应温度的优化

2．3．2 尿素加入量对碳点荧光性能的影响

2．3．3 碳点形貌，物相及官能团表征

2．3．4 碳点的紫外可见于荧光光谱表征

2．3．5 碳点用于荧光探针检测痕量Hg2+

2．4 本章小结

参考文献

第三章 荧光碳点敏化TiO2反蛋白石结构薄膜的制备及其光电性质研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验步骤

3．2．4 样品表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 形貌分析

3．3．2 物相及元素分析表征

3．3．3 紫外可见漫反射光谱

3．3．4 电化学性质

3．4 本章小结

参考文献

第四章 碳点敏化的反蛋白石结构Bi2O3薄膜的制备及其光电性质的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 实验仪器

4．2．3 实验步骤

4．2．4 样品表征

4．2．5 光催化降解罗丹明B实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 产物的物相分析

4．3．2 产物的形貌分析

4．3．3 碳点敏化的IOS Bi2O3薄膜光电性质研究

4．3．4 碳点敏化的IOS Bi2O3薄膜光催化性能

4．4 本章小结

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文