化合物半導(dǎo)體的微結(jié)構(gòu)調(diào)控及其光催化、氣敏性能的研究.pdf

1、材料是人類生存和生活必不可少的部分，是人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)與利用，使人類進(jìn)入了一個全新的發(fā)展階段。利用半導(dǎo)體材料制成的各種器件已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于我們的日常生活中，例如手機(jī)、電腦等。半導(dǎo)體材料由于具有發(fā)光性質(zhì)、氣敏性質(zhì)、光催化性質(zhì)、光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)等特性而被廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管、氣敏傳感器、空氣凈化系統(tǒng)以及太陽能電池等方面。繼續(xù)開發(fā)和研究具有更好性能的半導(dǎo)體材料成為現(xiàn)在科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)。20世紀(jì)80年代以來，隨著納米技術(shù)與

2、納米材料的出現(xiàn)與應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)材料的性能不僅與材料本身的化學(xué)組分有關(guān)，還與其微觀結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控，不僅可以控制其微觀形態(tài)，而且可以改變其物理、化學(xué)性質(zhì)。而微結(jié)構(gòu)又受到制備工藝、生長過程等因素的影響。因此，研究材料的制備方法、生長過程等因素對材料形貌等微結(jié)構(gòu)以及微結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，從而進(jìn)一步改善材料的物理化學(xué)性能有著重要的意義。本文對半導(dǎo)體光催化材料進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)調(diào)控，并研究了其對氣敏性能、光催化活性、光電化學(xué)性質(zhì)等不同

3、性質(zhì)的影響，主要分為以下幾個方面。
　　 第一章介紹了半導(dǎo)體材料及其分類，化合物半導(dǎo)體，特別是二氧化鈦、氧化鋅、銦酸鎘、鹵氧鉍。并簡單介紹了納米半導(dǎo)體材料的幾種重要的物理性質(zhì)。介紹了微結(jié)構(gòu)對半導(dǎo)體材料性能的影響。
　　 第二章以硝酸鎘和硝酸銦為原材料用自模板法制備了CdIn2O4空心球。利用X射線粉末衍射儀和掃描電子顯微鏡對制備樣品的結(jié)構(gòu)與形貌進(jìn)行了表征。系統(tǒng)研究了初始Cd/In的比例對組分、形貌和可見光光催化性能的影響

4、，研究了煅燒溫度對樣品結(jié)構(gòu)與形貌的影響。確定了合成純相CdIn2O4空心球的最佳初始Cd/In的比例以及最佳煅燒溫度。通過EDS測試表征了合成樣品的實(shí)際Cd/In比例。通過一系列測試表征，對CdIn2O4空心球的可行性形成機(jī)理進(jìn)行了探究。通過對亞甲基藍(lán)的降解評價了合成樣品的光催化活性。氣敏元件作為檢測環(huán)境控制與安全的一種器件，需求日益增加。以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的氣敏材料被廣泛的應(yīng)用于空氣中有害、有毒氣體的檢測。半導(dǎo)體金屬氧化物在過去的幾年里由

5、于對不同氣體種類的敏感性得到了廣泛的關(guān)注。CdIn2O4是眾所周知的n型半導(dǎo)體，作為氣敏材料被廣泛的研究，但是在大多數(shù)研究中含有氧化鎘、氧化銦等雜相，較難獲得純相CdIn2O4。我們研究了純相CdIn2O4對含碳氧化物的氣敏特性以及形貌對氣敏特性的影響。研究了CdIn2O4氣敏元件的氣體靈敏度隨C2H5OH濃度的變化以及其光響應(yīng)特性、恢復(fù)特性。結(jié)果表明，由CdIn2O4空心球制備的氣敏元件的氣體靈敏度普遍高于由研磨后樣品制備的元件的氣體

6、靈敏度。對于50 ppm乙醇，前者的靈敏度是后者的2.5倍。根據(jù)響應(yīng)恢復(fù)特性，我們探索了CdIn2O4氣敏元件的瞬態(tài)響應(yīng)機(jī)理。三維分等級結(jié)構(gòu)的整體尺寸較大，而其組成基元仍保持納米尺度，這樣既有利于催化劑的回收利用，又能保持納米尺度帶來的催化效率的提高。因此，制備分等級結(jié)構(gòu)特別是三維分等級結(jié)構(gòu)的光催化材料具有現(xiàn)實(shí)意義。而鉍系化合物半導(dǎo)體(BiOX(X=Cl，Br，I))由于價格低廉、環(huán)境友好、并且具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，良好的光性能和催化性能

7、，而逐漸成為光催化研究領(lǐng)域的一顆新星。
　　 第三章用簡單的水熱法制備了分等級結(jié)構(gòu)的BiOCOOH。在不改變其三維花狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上用離子交換法制備了BiOCl、BiOBr和BiOI等鉍系化合物半導(dǎo)體。利用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡對樣品的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)樣品均為純相，沒有其他的雜相出現(xiàn)，顯示了三維分等級的花狀結(jié)構(gòu)。研究了樣品的發(fā)光性能、吸光特性。通過對羅丹明B以及重鉻酸鉀溶液的降解評價了體系的光催化活性。樣品BiOCl

8、、BiOBr在20分鐘內(nèi)對羅丹明B的降解率可以達(dá)到90％，BiOI在20分鐘內(nèi)對羅丹明B的降解率為70％。BiOCl、BiOBr、BiOI在可見光照射下，半小時對Cr(VI)的去除能力分別為9.29毫克/克，13.98毫克/克，16.93毫克/克。
　　 第四章以球形SiO2為模板采用簡單的水熱法合成了具有{001}面的類球形TiO2。系統(tǒng)的研究了反應(yīng)時間對結(jié)構(gòu)、形貌的影響。樣品的結(jié)構(gòu)與形貌通過X射線粉末衍射儀和掃描電子顯微鏡進(jìn)

9、行表征。利用能量色散譜來確定樣品的最終化學(xué)計(jì)量比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)時間的增加，樣品的結(jié)晶性能逐漸增加，{001}面逐漸明顯。類球形TiO2為銳鈦礦相，微球的直徑約為1.5μm是由{001}面邊的長度<1μm的TiO2組成的。根據(jù)研究結(jié)果提出了一種可行性生長機(jī)理。通過對羅丹明B溶液的降解評價了樣品的光催化活性，通過刮涂法將樣品涂覆在導(dǎo)電玻璃上制備了TiO2電極，并測試了體系的光電流。為了使TiO2便于回收利用，我們進(jìn)一步采用陽極氧化法在鈦

10、基片上直接制備了TiO2納米管。通過X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。結(jié)果表明在500℃空氣氣氛下退火2h得到的TiO2納米管為銳鈦礦和金紅石的混合相，TiO2納米管直徑約40 nm，壁厚約5 nm。以TiO2納米管陣列為陽極，Pt片為輔助電極研究了光電化學(xué)特性。同時研究了電壓對光電流的影響。將長有TiO2納米管的鈦片浸漬于氯金酸中，光還原制備了金負(fù)載TiO2納米管。測試了金負(fù)載TiO2納米管的光

11、電流密度，并與未負(fù)載的做了比較。發(fā)現(xiàn)負(fù)載后的光電流密度比負(fù)載前的約高20μA/cm2.
　　 第五章以F摻雜SnO2玻璃為基底生長了不同的ZnO薄膜，包括ZnO納米棒薄膜、納米線薄膜、納米片薄膜。利用X射線粉末衍射儀和掃描電子顯微鏡對樣品的結(jié)構(gòu)與形貌進(jìn)行了表征。研究了不同氧化鋅薄膜的光致發(fā)光性能以及光電化學(xué)性能，并通過對亞甲基藍(lán)的降解表征了光催化活性。結(jié)果表明，一維納米材料更有利于電子、空穴的分離，ZnO納米棒優(yōu)先沿C軸取向生長