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多元金属/非金属掺杂的半导体TiO2的可见光光催化性能研究(4)

时间:2021-03-04 19:48来源:毕业论文
自从Fujishima和Honda[8]发现TiO2具有光分解水的作用以来,纳米半导体的光催化反应就引起了人们研究的兴趣。近年来,光催化在净化环境方面的应用受到人们

自从Fujishima和Honda[8]发现TiO2具有光分解水的作用以来,纳米半导体的光催化反应就引起了人们研究的兴趣。近年来,光催化在净化环境方面的应用受到人们越来越多的重视,通常采用的半导体光催化剂包括TiO2、ZnO、WO3、ZnS、CdS[9]等,其中TiO2对多种有机物均有良好的降解效果,因此得到了广泛重视,而锐钛矿型TiO2的光催化能力出众的原因可能如下:①锐钛矿的禁带宽度为3.2eV,较高的禁带宽度使其电子空穴对具有更正或更负的电位,具有较高的氧化能力。②锐钛矿表面吸附H2O、O2及·OH的能力较强,导致其光催化活性较高,在光催化反应中表面吸附能力对催化活性有很大的影响,较强的吸附能力对其活性有利。③在结晶过程中锐钛矿晶粒通常具有较小的尺寸和较大的比表面积,对光催化反应有利。

光催化反应的原理是利用光激发半导体催化剂,在其表面形成激发电子-空穴对作为还原-氧化体系。在水溶液(如工业污水)中,溶解的O2及H2O与电子及空穴发生作用,最终产生具有高度活性的·OH,·OH是氧化性极强的物质,对水中污染物几乎无选择性,能将水中的有机物部分或完全氧化[10]。半导体的光催化活性主要取决于导带与价带的氧化-还原电位,价带的氧化-还原电位越正,导带的氧化-还原电位越负,则光生电子和空穴的氧化能力就越强,从而使光催化降解有机物的效率大大提高。但是TiO2的宽禁带使得其吸收光的区域主要在紫外区,光利用率低,同时又因为较高的载流子复合率,限制了其光催化活性,使得TiO2利用太阳光的效率大大降低。因此可以采用负载GO和CdS的方法,使得其电子易转移至其他物质,而降低光生电子与空穴的复合速率,从而减小TiO2禁带宽度,扩大光谱的吸收区域,提高其光催化活性。将GO和CdS[11]负载在TiO2粒子上,对推广TiO2的使用具有重要意义。论文网

1.3 氧化石墨的共催化作用

氧化石墨作为一单层石墨烯[12],对于光解水和光降解有机污染物具有较高的共催化性能[13]。氧化石墨具有较高的比表面积和较好的电子迁移率,因此在TiO2 与石墨烯复合后,可以增加电子的迁移率,从而起到共催化目的。石墨烯和TiO2间产生的协同效应能够促使 TiO2 产生的光生电子转移到石墨烯上,进一步转移到其他物质上,从而不仅降低了光生电子-空穴对复合几率,还使该复合材料具有了可见光响应的能力。

1.4 CdS的敏化作用

在半导体本体中产生电荷载体这种过程称为敏化作用。一般化学性质稳定的金属氧化物半导体(如TiO2)的带隙较宽只能吸收紫外区光子,敏化作用可以扩展光催化剂的波长响应范围使之可利用可见光(日光)降解有机化合物[14]。

CdS是一种带隙适中的半导体,其 Eg =2.42eV,在可见光区域具有良好的光学吸收性能,其导带能级比TiO2的高,有利于光生载流子的有效分离,同时CdS具有较大的消光系数和光化学稳定性,将CdS复合到宽禁带的TiO2半导体材料中,CdS敏化TiO2半导体材料受到自然光中一定波长的光照射时,价带VB上的电子受激发而跃迁到导带CB上,在价带VB上形成带正电的空穴h+,在导带CB形成高活性的电子e−,在没有电子受体和供体的情况下形成空穴-电子对(h+—e−),CdS半导体光照激发后电子迁移至TiO2的导带中,其产生的空穴迁移到复合材料的价带中,从而增大电子和空穴的产生率[15]。

1.5 本文特色、研究内容及研究方案

1.5.1 本文特色 多元金属/非金属掺杂的半导体TiO2的可见光光催化性能研究(4):http://www.youerw.com/cailiao/lunwen_70788.html

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