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二氧化鈦、氧化鋅基納米結(jié)構(gòu)薄膜的改性和光催化
發(fā)布時(shí)間：2020-04-23
半導(dǎo)體光催化技術(shù)已經(jīng)成為解決環(huán)境污染與能源短缺兩大未來(lái)發(fā)展難題的有力武器，因其具備光化學(xué)穩(wěn)定、紫外光光催化效率高、環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在制備光伏電池、生產(chǎn)清潔能源、光降解水體與氣體中污染物等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。
目前研究較廣、應(yīng)用較多的光催化劑之一就是寬禁帶半導(dǎo)體二氧化鈦，直接帶隙半導(dǎo)體氧化鋅是二氧化鈦外另一種有前途的半導(dǎo)體光催化材料。這兩種材料的帶隙寬度十分接近，但由于僅對(duì)紫外光有響應(yīng)，其實(shí)際應(yīng)用受到極大限制。雖然近年來(lái)已經(jīng)展開(kāi)了大量光催化劑半導(dǎo)體的改性工作，但研究對(duì)象大部分還是粉末材料，且主要依靠化學(xué)改性對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)、表面態(tài)等產(chǎn)生影響，進(jìn)而在光催化中提高催化效率或是擴(kuò)展吸收光譜范圍。
目前，光催化劑與技術(shù)的發(fā)展依然面臨著如何控制成本、擴(kuò)展光響應(yīng)范圍、提高效率、提高產(chǎn)品循環(huán)使用率、簡(jiǎn)化產(chǎn)品回收等問(wèn)題的挑戰(zhàn)。
將二氧化鈦、氧化鋅作為主要的研究對(duì)象，進(jìn)行合成、光催化、物理與化學(xué)雙重改性的應(yīng)用研究，重點(diǎn)發(fā)展高效的新型二氧化鈦、氧化鋅基光催化劑。研究主要分成三大塊：第1部分，采用新穎、簡(jiǎn)單的制備工藝，直接在二氧化硅蛋白石模版中，通過(guò)液相沉積的方法制備具有介孔和有序大孔分等級(jí)結(jié)構(gòu)、氟與氮共摻雜的二氧化鈦薄膜。該結(jié)構(gòu)從光子晶體反蛋白石的三維有序大孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上衍生出的，是一種具有可見(jiàn)光響應(yīng)、良好的循環(huán)性能、光吸收增強(qiáng)、回收簡(jiǎn)便的光催化劑薄膜材料。
探討樣品的可見(jiàn)光催化響應(yīng)機(jī)制，并分析光子晶體反蛋白石結(jié)構(gòu)對(duì)慢光子效應(yīng)與多重散射效應(yīng)中的重要效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)連續(xù)波長(zhǎng)光激發(fā)的光催化反應(yīng)，多重散射效應(yīng)和慢光子效應(yīng)相比，引發(fā)的光化學(xué)放大作用更加明顯。
第二部分，在氧化鋅反蛋白石的基礎(chǔ)上，對(duì)二氧化鈦進(jìn)行選擇性腐蝕和液相沉積，得到成分和拓?fù)湫蚊部煽氐难趸\/二氧化鈦復(fù)合反蛋白石薄膜。和一般密堆積排列三維有序大孔的反蛋白石不同，生成樣品可兼具非密堆積三維有序大孔結(jié)構(gòu)及特殊的聯(lián)通通道。
通過(guò)改變液相沉積時(shí)間，可以輕易控制反蛋白石的孔壁厚度與膜組分。研究反應(yīng)所得反蛋白石的組分變化機(jī)理及拓?fù)湫蚊?，發(fā)現(xiàn)組分和拓?fù)湫蚊簿鶎?duì)反蛋白石薄膜的光催化性能存在顯著的影響。
第三部分，采取簡(jiǎn)單的離子交換法，將硫化銀添加至負(fù)載硫化鎘的氧化鋅納米柱陣列二元結(jié)構(gòu)中，得到負(fù)載硫化鎘/硫化銀的氧化鋅一維納米柱陣列三元結(jié)構(gòu)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。對(duì)比研究一元、二元、三元氧化鋅納米柱陣列結(jié)構(gòu)的光催化性能，提出三元結(jié)構(gòu)的紫外光催化效果增強(qiáng)機(jī)理與光生電荷遷移機(jī)制。系統(tǒng)性研究二氧化鈦、氧化鋅基納米結(jié)構(gòu)薄膜光催化劑的制備、催化性能、改性，從物理及化學(xué)概念兩個(gè)方面共同設(shè)計(jì)與改性光催化劑，制備可見(jiàn)或紫外光光催化活性增強(qiáng)的薄膜光催化劑。
