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(GaN)_(1-x)(ZnO)_x固溶体纳米线成分和晶面调控及光催化性能研究

【摘要】:近年来,环境污染和能源短缺成两大全球关注的问题。半导体光催化技术是一种新型绿色技术,可以利用太阳光降解有机污染物、分解水和还原二氧化碳,把太阳能转化为化学能。氮化镓和氧化锌是两种重要的半导体光催化材料。虽然这两种材料的能带间隙较宽,只能利用紫外光,但是它们可以形成与其晶体结构一样的固溶体材料。另外,理论计算表明(GaN)_(1-x)(ZnO)_x固溶体的导带底主要由Ga的4s和4p轨道构成,价带顶主要由Zn的3d轨道和N的2p轨道构成,其价带处会产生一个p-d轨道排斥作用使其价带上升,实现能带间隙减小。因此,通过调节(GaN)_(1-x)(ZnO)_x固溶体材料中ZnO或者GaN的含量可以实现连续调控其能带结构。另外,一维结构的催化剂具有大的比表面积,在光催化反应中能够提供更多的反应活性位点。本文中我们报道了通过成分和晶面调控提高(GaN)_(1-x)(ZnO)_x固溶体纳米线的光电和光催化性能。我们先合成ZnGa_2O_4作为前驱体,再通过简单的化学气相沉积法合成(GaN)_(1-x)(ZnO)_x固溶体纳米线,通过调节生长温度改变纳米线中ZnO含量。随着生长温度逐渐降低,合成的纳米线中ZnO的含量逐渐增多,纳米线逐渐由平直形貌转变为zigzag形貌;同时,纳米线的价带顶逐渐升高,带隙逐渐减小。当生长温度为900°C时,纳米线的吸收带边约为460 nm,其对应的禁带能为2.70 eV。对比三个温度下合成的(GaN)_(1-x)(ZnO)_x固溶体纳米线的CO_2光还原、水分解产氧和IPA降解性能,我们发现zigzag形貌纳米线具有更高效的光催化性能,对比光电性能我们也得到了同样的结果。这可能是由于zigzag形貌纳米线具有更强的载流子分离能力和更强的光吸收能力。

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