本文選題：超薄　切入點(diǎn)：二維　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：近些年來(lái),由于人類對(duì)化石燃料的過(guò)度開(kāi)發(fā)和使用,當(dāng)今社會(huì)面臨著嚴(yán)峻的能源與環(huán)境危機(jī)。因此,我們亟需開(kāi)發(fā)新型的環(huán)境友好型能源以實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中,半導(dǎo)體光催化反應(yīng)能直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為清潔的化學(xué)能源,它被認(rèn)為是一種解決環(huán)境污染與能源危機(jī)的有效途徑�；诖�,如何提升半導(dǎo)體材料的光催化效率成為該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的超薄二維納米材料因其獨(dú)特的電子與結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)受到了研究者的廣泛關(guān)注,為實(shí)現(xiàn)高效的光催化反應(yīng)帶來(lái)了巨大契機(jī)。本論文旨在以超薄二維納米材料為基礎(chǔ)建立研究模型,通過(guò)調(diào)控材料的電子結(jié)構(gòu)和分析光催化反應(yīng)中的關(guān)鍵影響因素,設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有高效光催化性能的半導(dǎo)體材料,為它們?cè)谀茉崔D(zhuǎn)換領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟了道路。本論文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:1.元素?fù)诫s是一種修飾材料電子結(jié)構(gòu)并提高光催化性能的有效途徑。雖然最近有很多關(guān)于元素?fù)诫s的報(bào)道,但摻雜原子在光催化過(guò)程中所扮演的角色并不清楚,在很大程度上限制了元素?fù)诫s的進(jìn)一步發(fā)展。為此,我們首次合成了具有超薄結(jié)構(gòu)的氧摻雜-ZnIn2S_4納米片光催化劑,并將其作為原型材料建立結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,研究摻雜原子在光催化過(guò)程中的重要作用。在本章工作中,我們首先建立了 DFT模型來(lái)研究摻雜劑對(duì)催化劑電子結(jié)構(gòu)的影響,理論計(jì)算表明氧摻雜能明顯增加ZnIn2S_4納米片價(jià)帶頂附近的電荷密度,這一特征有利于產(chǎn)生更多的電荷直接參加反應(yīng),提高光催化產(chǎn)氫的能力。通過(guò)超快光譜測(cè)試我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),氧摻雜可以有效地提高催化中光生電子與空穴的分離效率,其光生載流子的平均壽命提高了 1.53倍。光催化測(cè)試結(jié)果表明,氧摻雜的超薄ZnIn2S_4納米片具有比未摻雜樣品更高的光催化產(chǎn)氫活性,其產(chǎn)氫速率達(dá)到2120 μmol·h~(-1)·g~(-1),為后者的4.5倍。2.在本章工作中,我們提出了一種Ag納米顆粒負(fù)載的方法來(lái)促進(jìn)光生電荷轉(zhuǎn)移,并以Ag-K_4Nb_6O_(17)雜化體系為催化模型深入理解Ag納米顆粒在光催化反應(yīng)中的重要作用。超快吸收光譜證明Ag納米顆粒能捕獲光生電子,提高光生載流子的遷移速率,促進(jìn)光催化體系中光生電子與空穴的有效分離。光催化性能測(cè)試表明,Ag納米顆粒的負(fù)載能顯著提高超薄K_4Nb_6O_(17)納米片的光催化活性,其模擬太陽(yáng)光照射下的產(chǎn)氫速率相對(duì)于單一的K_4Nb_6O_(17)納米片提升了近20倍;可見(jiàn)光照射下的光催化產(chǎn)氫測(cè)試證明,Ag-K_4Nb_6O_(17)復(fù)合體系中不存在由Ag納米顆粒向超薄K_4Nb_6O_(17)納米片的熱電子注入。進(jìn)一步的光催化對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示,雜化體系能大幅提高產(chǎn)氫活性的主要因素不僅僅是Ag納米顆粒能促進(jìn)體系中電荷遷移,也包括Ag納米顆粒自身的表面等離子效應(yīng)所帶來(lái)的附加電磁場(chǎng)。本章工作不僅為高效光催化劑的合成提供了一種簡(jiǎn)單可靠的途徑,也為理解貴金屬在光催化反應(yīng)中的重要作用提供了新思路。3.結(jié)構(gòu)扭曲能顯著地改變半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu),引起光催化材料光吸收和能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)整,從而影響其光催化性能。本章工作中,我們提出了一種快速加熱的方法成功地在g-C_3N_4樣品中引入結(jié)構(gòu)扭曲,此方法相對(duì)于傳統(tǒng)的熱處理法更加簡(jiǎn)單、快速。X射線吸收精細(xì)譜測(cè)試表明,改變快速加熱的溫度可以有效調(diào)節(jié)樣品中結(jié)構(gòu)扭曲的程度,并且隨溫度提升其扭曲程度逐漸增加。電子順磁共振譜表明,結(jié)構(gòu)扭曲的引入能引起g-C_3N_4樣品的電子重排,這一點(diǎn)能有效降低g-C_3N_4樣品的帶隙寬度,拓寬光吸收范圍。光催化產(chǎn)氫測(cè)試表明,結(jié)構(gòu)扭曲的引入能顯著提高g-C_3N_4的光催化活性,在太陽(yáng)光照射下,g-C_3N_4-700樣品的產(chǎn)氫速率可達(dá)255.0μmol·h~(-1),其性能相對(duì)于原始g-C_3N_4樣品提升了 3倍。此外,由于具有合適的光吸收和能帶結(jié)構(gòu)排列,g-C_3N_4-700樣品顯示出最高的產(chǎn)氫活性,表明適度的結(jié)構(gòu)扭曲對(duì)實(shí)現(xiàn)光催化性能的最優(yōu)化非常重要。本工作不僅為理解結(jié)構(gòu)扭曲在光催化反應(yīng)中的作用建立了定量關(guān)系,也為提高材料的光催化活性提供了一條簡(jiǎn)單、可行的有效途徑。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O643.36

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本文編號(hào)：1632054