生物分子輔助水熱合成半導(dǎo)體光催化劑及性能研究.pdf

1、自然界中存在大量復(fù)雜、高度功能化的生物礦物材料如貝殼、珍珠、牙齒、骨骼等，其中很多事非常普通的無機(jī)礦物材料。由于這些礦物材料的特殊性能和有趣形貌，吸引了越來越多課題小組來研究其形成機(jī)理，并在納米材料的合成過程中添加生物分子作輔助，嘗試合成形貌可控、結(jié)構(gòu)特殊并且具有獨(dú)特性質(zhì)的材料。近年來，通過化學(xué)方法以零維、一維等低維度納米材料來構(gòu)筑復(fù)雜的多維、多級納米結(jié)構(gòu)這方面的重要進(jìn)展。具有這類結(jié)構(gòu)的材料往往表現(xiàn)出與常規(guī)材料不同的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱

2、學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)，為深入設(shè)計(jì)和研究新型納米器件提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)條件。
　　 環(huán)境和能源是21世紀(jì)人類面臨和亟待解決的重大問題。隨著人們對環(huán)境和能源問題的關(guān)注，光催化技術(shù)及其材料的開發(fā)逐漸成為材料學(xué)及催化科學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前人們開發(fā)的半導(dǎo)體光催化劑大部分是寬帶隙半導(dǎo)體，只在紫外光范圍內(nèi)有響應(yīng)。紫外光只占太陽光能量的4％，而最大的太陽光強(qiáng)度在500nm附近，可見光占太陽光能量的43％。如何盡可能提高寬帶隙半導(dǎo)體在紫外光區(qū)的光催化活

3、性，以及如何充分有效的利用可見光是目前急需解決的問題。
　　 在此背景下，本論文利用水熱法合成路線，在生物分子明膠的輔助下合成了ZnS、CdS、Fe2O3半導(dǎo)體光催化材料，并以ZnS為前驅(qū)體，通過簡單的退火法合成出ZnO半導(dǎo)體光催化材料。探索制備條件、合成工藝、形貌調(diào)控、能帶結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)變化和光催化性能之間的關(guān)系，其內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：
　　 (1)以L-半胱氨酸為硫源，在明膠輔助下采用水熱法合成了ZnS微米球

4、，研究了水熱參數(shù)如反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、明膠質(zhì)量、L-半胱氨酸質(zhì)量和硫源種類對ZnS結(jié)構(gòu)和形貌的影響，通過X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)，紫外光譜(UV-vis)和紅外光譜(IR)的表征，闡述了形貌的形成機(jī)理。光催化性能研究表明該化合物是一種優(yōu)良的紫外光光催化劑，比較了產(chǎn)物形貌和尺寸對光催化性能的影響，并利用熒光性能解釋了其中的機(jī)理
　　 (2)以ZnS微米球?yàn)榍膀?qū)體，在空氣氣氛

5、中退火，得到了ZnO多孔球。對退火溫度，退火時(shí)間對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和形貌的影響進(jìn)行了探討，并討論了ZnO多孔球的形成機(jī)理。通過氮吸附實(shí)驗(yàn)測試了ZnS微米球與ZnO多孔球的吸附性能和比表面積。光催化實(shí)驗(yàn)表明，ZnO多孔球具有比ZnS微米球和DegussaP25TiO2更好的光催化效果。
　　 (3)以L-半胱氨酸為硫源，在明膠輔助下采用水熱法合成了CdS納米球，研究了水熱參數(shù)如反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、明膠質(zhì)量、L-半胱氨酸和硫源種類對CdS納

6、米球結(jié)構(gòu)和形貌的影響。光催化性能研究表明，CdS納米結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的可見光光催化效果并解釋了其中的機(jī)理。測試了CdS納米結(jié)構(gòu)的比表面積，利用積分球法計(jì)算了CdS納米結(jié)構(gòu)的帶隙。
　　 (4)在明膠的輔助下，采用水熱方法低溫合成了Fe2O3納米球，并探討了反應(yīng)時(shí)間和明膠質(zhì)量對產(chǎn)物形貌和結(jié)構(gòu)的影響，研究了Fe2O3納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。利用積分球法計(jì)算了Fe2O3納米球的吸收邊和帶隙。光催化結(jié)果表明，F(xiàn)e2O3納米球在可見光照射下具有一