几种银基光催化材料制备及其结构与性能的研究

【摘要】能源短缺和环境污染是目前人类社会可持续发展所面临的两个重大威胁。寻找可替代化石能源的可持续清洁能源是解决两个威胁的关键。新兴发展的半导体光催化剂技术,能利用太阳光分解水产生清洁能源氢和氧,也可降解去除有机污染物和无机重金属。因此半导体光催化技术已经成为解决能源短缺和环境污染的可能途径。自1972年,日本科学家首次发现二氧化钛电极在光照下可以分解水产氢,半导体光催化研究迅速发展。经过四十多年的研究探索,大量的半导体材料被报道具有光催化活性。但是目前光催化材料的研究仍然面临限制其实际应用的两个重要问题。1)光响应范围窄,具有高活性的传统半导体,例如二氧化钛,其能带较宽,只能吸收占太阳能4%左右的紫外光,无法利用占太阳能大部分的可见光,造成太阳能利用率较低；2)量子效率低,光照下产生的光生电子和空穴在半导体内部或表面迅速发生复合,无法有效的参与光催化过程,造成量子效率较低。针对上述的两个问题,亟待发展新型高效的可见光催化材料,提高材料的光催化效率,对半导体光催化技术在环境和能源中的实际应用具有重要意义。贵金属表面等离子体增强效应可以有效的拓展宽禁带半导体光催化材料的可见光响应范围,提高材料的可见光催化活性；材料的晶体工程对其光催化活性有重要的影响,包括微结构调控,晶面工程、晶体内建电场及晶体内部不同配位体间的协同作用,能促进光生电子和空穴的有效分离,提高材料的量子效率。本论文的研究内容主要分三部份：1)针对具有可见光响应的等离子体光催化材料Ag@AgX,通过晶面工程,利用离子液水热法、湿化学氧化法、电化学氧化法制备了具有类球形、凹面立方块、三维枝状、立方块等不同晶面结构和微结构的Ag@AgX,并研究微结构与晶面活性对其可见光催化活性的影响；2)研究量子尺寸效应对窄带隙半导体纳米颗粒能带结构的调控,及其对材料光吸收和光催化活性的影响：3)探索新型光催化材料,研究其内建电场和不同电子结构配位多面体的协同效应促进光生电子和空穴分离,提高光催化效率的机理。具体的研究内容如下：在第一章中,首先简介了半导体光催化技术的发展、应用及其光催化机理。并总结了光催化材料研究面临的主要问题,及目前光催化材料的研究现状,提高光催化活性的新途径,及存在的问题。引出本论文的选题意义及主要研究内容。在第二章中,利用含Cl-/Br-离子液体辅助水热的方法制备具有弯曲表面的类球形AgCl/AgBr,发现离子液体中有机阳离子在晶核表面的空间位阻效应对AgCl/AgBr晶体的表面生长具有重要的影响。研究了不同碳链长度离子液体CxMimBr(x=4,8,12,16)对AgBr晶体表面结构的影响,并利用经典的台阶生长机理解释了弯曲表面的形成机理。弯曲表面存在大量原子台阶,具有很高的表面活性。由类球形AgCl/AgBr转化成的表面等离子体光催化剂Ag@AgCl/Ag@AgBr后,在降解有机污染物方面表现出高效的光催化活性。在第三章中,利用湿化学氧化法制备了具有凹面立方块结构的AgCl微米晶体。在制备过程中利用Na2C102作为氧化剂控制Ag片产生Ag+的速度,使立方晶核在生长过程中,表现出高活性方向上优先生长的习性。立方晶核在<111>和<110>方向的生长速度迅速,而<100>方向上的生长缓慢,形成具有<111>和<110>方向优先过渡生长的凹面立方块结构。凹面立方块结构的表面存在大量的高指数面,具有很高的表面活性,因此转化成凹面立方块催化剂Ag@AgCl后,紫外和可见光照射下,在光催化裂解水产氧和降解有机污染物中表现出较高活性。同时通过理论计算发现,当AgCl晶体表面吸附大量的C1-后,{111}、{110}和{100}晶面的表面能依次升高,其中{111}晶面的表面能最低。通过调节晶体生长的条件,可以控制生成的Ag+扩散到晶核的表面优先与吸附在晶核{111}晶面的C1-反应,使晶体沿<111>快速生长,而<110>和<100>方向上的生长缓慢,形成具有三维分等级枝状结构AgCl微米晶体,其具有较高的表面活性,在光催化产氧中表现出较高的活性。在第四章中,利用电化学阳极氧化的方法,在NaCl溶液中进行银片的阳极氧化,快速合成具有{100}晶面暴露的AgCl立方块结构。AgCl纳米立方块的生长机理可以通过界面动力学扩散生长的机理来解释。通过改变银片的反应位置和反应条件,也可以控制AgCl生长形成具有凹面结构的立方块。与无规则AgCl颗粒相比,立方块在光催化降解有机污染物中表现出较好的活性。同时控制Ag片在Na3PO4溶液中的电化学氧化反应,快速合成具有凹面结构的Ag3PO4微米晶体。通过晶体形貌的晶体学分析,晶核的生长表现出高活性方向优先生长的习性。Ag3PO4凹面微米结构中具有沿<111>和<110>方向的优先生长。凹面微米晶体的表面存在大量的高指数晶面暴露,具有较高的表面活性,与无规则Ag3PO4颗粒相比,具有较高的光催化活性。在第五章中,通过简单的一步共沉淀的方法将Ag2O纳米颗粒镶嵌到非晶SiO2中,利用SiO2来限制和保护量子尺寸的Ag2O纳米颗粒。样品的光吸收和能带结构可以通过量子尺寸来调节。当Ag2O纳米颗粒的尺寸为1.5nm时,Ag2O纳米颗粒具有较宽的可见光吸收范围和合适的能带结构,表现出最佳的光催化效率。同时,在以上工作的基础上,制备了新型高效光催化材料Ag6Si207。研究发现Ag6Si2O7具有很宽的可见光吸收范围,几乎包括了整个可见光区(λ<740nm)。并证明Ag6Si2O7几乎在整个可见光区都具有光催化活性。在Ag6Si2O7内部存在12种不等价的AgO配位多面体分别为二配位Ag(a)O2,三配位Ag(b)O3,和四配位Ag(c)O4。计算其偶极矩发现,在b-轴方向上存在剩余偶极矩,在晶体的内部存在沿b-轴方向上的极化电场。研究其电子结构发现,四配位Ag(c)O4与三配位Ag(b)O3基团间,以及三配位Ag(b)O3与二配位Ag(a)O2基团间存在电子转移。这些因素都有利于光生载流子的分离,提高Ag6Si2O7的光催化效率。在第六章中,对本论文的内容进行总结,并提出了本论文的创新点,并根据当前的研究现状提出了存在的问题及下一步工作的计划。总之,晶体的晶面结构和微结构具有不同的表面活性,对光催化材料的催化反应进行有重要的影响；量子尺寸效应能有效的调控光催化材料的能带结构,调节其光吸收范围和光生电子和空穴的氧化还原能力；晶体内建电场的构建,有利于光生电子和空穴的有效分离；晶体内部不同电子结构配位体之间存在电荷转移,抑制光生载流子的复合速率,提高光催化效率。
【作者】娄在祝；
【导师】黄柏标；
【作者基本信息】山东大学，材料学，2014，博士
【关键词】晶体工程；等离子体光催化剂；量子尺寸效应；内建电场；

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