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功能性纳米异质结的制备、光电转换能力及其降解水中有机污染物和灭菌的性能

【摘要】: 光催化是一种有效的环境污染控制技术,近年来受到广泛关注。但常用的TiO_2粉末存在量子效率低、不能有效利用可见光、需要附加分离回收工艺等缺点,这些因素限制了光催化技术的发展。人们通过把TiO_2负载在载体上解决了催化剂分离回收的问题;通过电场辅助等手段提高了量子效率;通过染料敏化、离子掺杂改善了TiO_2的可见光响应。但是这些方法仍然存在很多不足之处。异质结是半导体领域的一个重要概念,其内建电场能够为光致电荷分离提供驱动力,宽带半导体包覆窄带半导体构成的异质结还能叠加两者的光响应能力,在光催化污染控制中引入异质结概念有望解决TiO_2光催化剂面临的问题。本文结合异质结与光催化的基本原理,开展了以下几个方面的工作: 为了提高TiO_2的量子效率,用化学气相沉积法在Ti片上制备了有序的TiO_2包覆碳纳米管(CNT)异质结阵列。TiO_2层的厚度对CNT/TiO_2异质结阵列的电荷分离和传递有显著影响,100 nm左右的TiO_2层最有利于电荷分离和传递。这样制备的CNT/TiO_2异质结阵列具有明显的整流性,说明CNT与TiO_2形成了异质结。CNT/TiO_2异质结电极的光电流在零偏压附近最高,是TiO_2纳米管阵列的6倍。以苯酚为目标物,采用短路光催化的方式(用一根导线连接CNT/TiO_2异质结电极和铂电极)进行光催化实验,结果表明,使用异质结时的苯酚降解动力学常数和总有机碳(TOC)去除率分别是TiO_2纳米管的1.92倍和3.4倍,这些结果说明异质结阵列的光催化能力高于单纯的半导体材料。 为了利用太阳光的可见部分,用电沉积法制备了ZnIn_2S_4纳米膜。煅烧温度显著影响ZnIn_2S_4纳米膜的光响应能力,光电化学测量证明煅烧温度为500℃时样品的可见光响应能力最强。这样制备的膜放入初始浓度约为3×10~8 cfu mL~(-1)的大肠杆菌溶液中,在0.6 V偏压及可见光照射下,60 min内所有的大肠杆菌都被灭活,显示了ZnIn_2S_4强大的可见光杀菌能力。把ZnIn_2S_4纳米膜包覆在硅纳米线(SiNW)上,制成SiNW/ZnIn_2S_4异质结。由于ZnIn_2S_4能够利用可见光,异质结能够提高量子效率,这种异质结有望提高可见光催化的效率。 为了进一步拓展光催化剂的利用光谱范围(包括λ>600 nm的部分),结合化学刻蚀法和化学气相沉积法,在Si片上制备了SiNW/TiO_2异质结阵列。SiNW/TiO_2异质结的类型可以通过改变SiNW的导电类型调控。SiNW/TiO_2n-n结能够叠加TiO_2的紫外光响应和SiNW的可见光响应,在0.01 M Na_2SO_4溶液中以氙灯为光源的开路光电压高达-0.9 V,光催化降解苯酚的TOC去除率是n型Si片上沉积的TiO_2的2.0倍。SiNW/TiO_2肖特基结的紫外光响应增加最显著,光电流(偏压为1.0 V时)是硅片上沉积的TiO_2的2.4倍。p-n结做阴极使用能够高效利用可见光,其空间电荷层厚度可以通过改变SiNW的载流子浓度调控,SiNW载流子浓度约为10~(15) cm~(-3)时,异质结的光电流密度最大。在偏压-2.0V、波长大于420 nm的光照条件下光电催化降解苯酚,p-SiNW/TiO_2阴极的动力学常数为0.983 h~(-1),是p-Si/TiO_2阴极(0.0523 h~(-1))的18.7倍。 为了研究p型半导体与金属构成的肖特基结的光电转换能力,制备了graphene/多孔Si异质结电极。沉积graphene 10 s的异质结表面光电压和光电流最大,其在-2.0 V偏压时的光电流为2.21 mA cm~(-2),是多孔Si的1.83倍。这说明借住异质结的电荷分离能力,graphene/多孔Si异质结能够显著提高光响应能力。 以上结果证明异质结不但能够提高光催化剂的量子效率,还能大幅拓宽可利用波长范围,从而提高光催化能力。同时,本文研究异质结的类型、半导体厚度和载流子浓度等因素对异质结材料光催化能力的影响,为优化异质结光催化剂提供了可行的手段,有助于促进异质结理论在光催化污染控制领域的应用与发展。

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