一维氧化钼纳米材料的合成、表征及其气敏和光敏性能

摘要

工业经济的迅速发展和汽车保有量的持续增长，对人们的生存环境和身体健康造成了极大的损害。一方面，化石资源消耗殆尽，开发新能源迫在眉睫，半导体光催化和染料敏化太阳能电池较高的太阳能利用效率吸引了人们的广泛兴趣。另一方面，有毒有害气体的排放更加严重，开发新型高效的半导体传感器用于大气环境中毒害气体的监测是有效控制空气质量的重要保障，也是当前国内外研究的焦点课题。一维纳米结构三氧化钼(1D MoO3)具有特殊的孔道结构，在光致变色、电致变色、能量存储、气体传感器和光电领域展现了诱人的应用前景。本文采用简易酸化法、水热合成法和超声化学法制备了不同晶型和长径比的氧化钼一维纳米材料，并重点研究了不同方法制备氧化钼的构效关系。
　　本研究主要内容包括：⑴采用简易酸化法在85℃的温和条件下快速制备了长径比高达40的α-MoO3纳米棒，并详细研究了搅拌时间、保温时间、酸度等参数对一维氧化钼纳米棒的低温生长的重要作用。该法制备的α-MoO3纳米棒在292℃的最佳操作温度下对40 ppm CO的灵敏度高达321，对CH4的选择性达19。⑵采用水热法以CTAB为结构诱导剂在180℃下合成了长径比约20的α-MoO3纳米棒，并研究了其生长机理。该法制备的α-MoO3纳米棒对10 ppm NO2、10 ppm CO和10 ppm CH4的灵敏度分别为37、21和15。PL和XPS分析表明α-MoO3的内在气敏机制来源于氧空位导致的非化学计量性。⑶采用CTAB协助的普通超声化学法和和SDS协助的探头超声化学法合成了长径比分别为25和10的亚稳态h-MoO3纳米棒，经436℃热处理后完全转变为稳定态的α-MoO3。研究发现，合成方法对氧化钼纳米棒气敏性能的影响比形貌和长径比更为重要。探头超声法合成的氧化钼纳米棒所需的焙烧温度(500℃)低于普通超声法(700℃);二者具有相同的最佳操作温度290℃;探头超声法合成氧化钼纳米棒对NO2的灵敏度(103)高于普通超声法合成氧化钼纳米棒对NO2的灵敏度(79)。⑷基于能带调控理论，制备了Fe2(MoO4)3@α-MoO3负载型光催化剂和比表面积高达313m2/g的MoO3/TiO2复合光催化剂。Fe2(MoO4)3@α-MoO3负载型光催化剂对酸性橙的光催化效果比纯钼酸铁提高50％;2wt.％MoO3/TiO2在可见光下光催化反应速率约为纯TiO2的2倍，并从可见光吸收、活化位点和异质结耦合效应三个方面对其光催化改性进行了分析和讨论。⑸选用硝酸钠作为水热反应的矿化剂，通过钼粉和双氧水反应生成MoO2(OH)(OOH)前驱体，在水热条件下成功制备了具有孔道结构的亚稳态h-MoO3纳米带，首次研究了h-MoO3纳米带的光电性能，并通过Ni、Co、Fe等元素掺杂提高了h-MoO3的光电效率。其中，5％Fe-MoO3纳米带的光电转换效率提高了428％，由0.18％提高至0.95％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米材料

1．2 一维纳米材料

1．2．1 一维纳米材料的分类

1．2．2 一维纳米材料的制备

1．2．3 一维纳米材料的应用

1．3 半导体氧化物纳米材料

1．3．1 半导体氧化物简介

1．3．2 半导体氧化物的分类

1．3．3 半导体氧化物的主要特性及应用

1．4 MoO3纳米材料

1．4．1 MoO3纳米材料的结构

1．4．2 一维MoO3纳米材料的制备

1．4．3 MoO3纳米材料的应用

1．5 半导体气体传感器

1．5．1 气敏材料及其敏感机制

1．5．2 半导体气体传感器的应用现状和发展趋势

1．6 半导体光催化

1．6．1 半导体光催化基本原理

1．6．2 半导体光催化材料的发展现状

1．7 染料敏化太阳能电池

1．7．1 染料敏化电池的工作原理

1．7．2 染料敏化太阳能电池的发展现状

1．8 论文选题思路及研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原材料和试剂

2．2 表征手段

2．2．1 物质组成及结构表征

2．2．2 表面形貌及元素价态分析

2．2．3 气敏性能测试

2．2．4 光催化性能评价

第三章 简易酸化法快速合成一维α-MoO3纳米棒及其气敏性能

3．1 引言

3．2 简易酸化法快速合成α-MoO3纳米棒

3．2．1 合成方法

3．2．2 氧化钼纳米棒的焙烧处理

3．2．3 用于SEM、EDX和TEM表征的三氧化钼样品处理

3．3 表征分析

3．3．1 晶体结构和形貌分析

3．3．2 合成参数调控和生长机理探讨

3．3．3 热处理过程研究

3．3．4 光学性能

3．3．5 非化学计量性

3．4 气敏性能研究

3．5 总结

第四章 水热法合成一维α-MoO3纳米棒及其气敏性能

4．1 引言

4．2 水热法合成一维α-MoO3纳米材料

4．2．1 合成方法

4．2．2 表征方法

4．3 结构与形貌分析

4．3．1 晶体结构

4．3．2 氧化钼纳米棒的表面形貌

4．3．3 α-MoO3的光学性质

4．4 氧化钼纳米棒的生长机理研究

4．5 MoO3纳米棒的气敏性能研究

4．5．1 MoO3纳米棒对NO2的气敏性能

4．5．2 MoO3对于还原性气体的气敏性能

4．6 MoO3纳米棒对NO2气体的气敏机制

4．7 总结

第五章 超声化学法合成一维h-MoO3纳米棒及其气敏性能

5．1 引言

5．2 合成方法

5．3 晶型结构和形貌表征

5．4 最佳反应条件的考察及生长机理研究

5．4．1 最佳反应时间的确定

5．4．2 最佳pH值的确定

5．4．3 加料顺序对产物形貌的影响

5．5 MoO3的气敏性能

5．5．1 探头超声法合成MoO3纳米棒的气敏性能

5．5．2 普通超声法合成MoO3纳米棒的气敏性能

5．6 气敏机理

5．7 结论

第六章 氧化钼基复合光催化剂的制备与光催化活性调控

6．1 引言

6．2 Fe2(MoO4)3@α-MoO3复合光催化剂

6．2．1 Fe2(MoO4)3@α-MoO3的制备

6．2．2 Fe2(MoO4)3@α-MoO3的结构和形貌表征

6．2．3 Fe2(MoO4)3@α-MoO3的光催化性能

6．2．4 光催化机理

6．3 MoO3／TiO2复合光催化剂

6．3．1 MoO3／TiO2复合光催化剂的制备

6．3．2 MoO3／TiO2复合光催化剂的物性和结构表征

6．3．3 MoO3／TiO2复合光催化剂的光催化性能

6．3．4 MoO3／TiO2复合光催化剂的光催化机理

6．4 总结

第七章 三氧化钼纳米带的合成及其光电性能研究

7．1 引言

7．2 一维MoO3纳米带的合成与掺杂

7．2．1 MoO3纳米带的合成

7．2．2 三氧化钼纳米带的元素掺杂

7．2．3 三氧化钼及掺杂样品的焙烧处理

7．3 氧化钼纳米带的形貌和结构表征

7．3．1 氧化钼纳米带的结构

7．3．2 氧化钼纳米带的形貌

7．3．3 h-MoO3的TEM表征及其通道结构

7．4 掺杂氧化钼纳米带的形貌和元素组成

7．4．1 掺Fe氧化钼纳米带的形貌与元素组成

7．4．2 掺Co氧化钼纳米带的形貌与元素组成

7．4．3 掺Ni氧化钼纳米带的形貌与元素组成

7．5 h-MoO3纳米带及掺杂后样品的光电性能

7．5．1 未掺杂h-MoO3纳米带的光电性能

7．5．2 掺杂后h-MoO3纳米带的光电性能

7．6 总结

第八章 结论

本论文的创新点

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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