Co3O4-TiO2半導(dǎo)體P-n結(jié)納米顆粒制備及其光催化性能研究.pdf

1、面對日益增長的能源需求，開發(fā)綠色新能源成為當(dāng)前的研究熱點。模擬自然界光合作用，在太陽光的照射下利用半導(dǎo)體納米材料作為光催化劑分解水制備H2的人工光合作用受到了越來越多的關(guān)注。在眾多半導(dǎo)體材料中， n型半導(dǎo)體TiO2納米材料作為光催化劑進(jìn)行水分解的研究很多，但由于其禁帶寬度為3.2eV，只能被紫外光激發(fā)，而太陽光中紫外光只占5％，所以研究TiO2納米光催化劑的熱點是對其進(jìn)行摻雜改性，使其充分利用太陽光。Co3O4由于其禁帶寬度接近可見光的

2、能量，而被越來越多的作為光催化劑用于可見光分解水。但作為典型的p型半導(dǎo)體，Co3O4并不能完全分解水生成H2和O2。
　　基于此，本文將兩種材料復(fù)合，制備出Co3O4-TiO2半導(dǎo)體p-n結(jié)納米顆粒，并以該材料作為光催化劑進(jìn)行可見光分解水的實驗。相關(guān)研究內(nèi)容可歸納為以下幾方面:
　　(1)提出一種新結(jié)構(gòu)Co3O4-TiO2半導(dǎo)體納米復(fù)合材料，利用兩種半導(dǎo)體復(fù)合來改變材料的能帶位置，達(dá)到完全分解水的條件。并通過形成p-n結(jié)來提

3、高復(fù)合材料較單一材料更高的氣體生成效率。
　　通過對半導(dǎo)體納米材料的研究總結(jié)，設(shè)計了一種具有p-n結(jié)的半導(dǎo)體復(fù)合材料。利用可以被可見光激發(fā)的p型半導(dǎo)體Co3O4納米材料與可以完全分解水的n型半導(dǎo)體TiO2納米材料進(jìn)行復(fù)合，在兩種材料的接觸面形成p-n結(jié)。由于能帶位置不同，在可見光激發(fā)下，電子從p型半導(dǎo)體Co3O4的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到n型半導(dǎo)體TiO2的導(dǎo)帶上，而TiO2價帶中的空穴則可以轉(zhuǎn)移到Co3O4的價帶上。光生載流子沿著材料內(nèi)部電場

4、移動，減小了光生電子和空穴的復(fù)合幾率，增加了光催化反應(yīng)中的電子和空穴的數(shù)目，從而提高材料的可見光光解水效率。
　　(2)利用一種新方法碳輔助法一步制備出不同形貌的Co3O4半導(dǎo)體粉末，并得到了最合適的實驗參數(shù)，并以該材料為基礎(chǔ)成功制備出具有p-n結(jié)的Co3O4-TiO2半導(dǎo)體復(fù)合納米光催化劑。
　　提出一種新方法，碳輔助法，制備出了Co3O4半導(dǎo)體材料。我們先利用脫脂棉作為分散劑，充分吸收鈷鹽后在氧氣中高溫煅燒制備Co3O4

5、納米顆粒。并通過SEM，TEM，XRD，XPS，紫外可見吸收光譜，傅立葉紅外光譜對材料進(jìn)行表征，得到以脫脂棉和硝酸鈷作為反應(yīng)物，溫度600℃，高溫煅燒2h，可以制備出粒徑50 nm具有高比表面積和寬吸收譜的Co3O4納米顆粒。進(jìn)而分別利用溶膠凝膠法和碳輔助法在Co3O4納米材料上負(fù)載TiO2納米材料，在兩種材料界面形成p-n結(jié)。通過TEM，XRD，XPS，紫外可見吸收光譜等分別對兩種方法得到的材料進(jìn)行表征，結(jié)果說明溶膠凝膠法成功制備出具

6、有p-n結(jié)的Co3O4-TiO2半導(dǎo)體復(fù)合材料。
　　(3)通過表征結(jié)果證明Co3O4和Co3O4-TiO2納米材料具有光解水能力，搭建了實驗平臺，驗證了Co3O4和Co3O4-TiO2半導(dǎo)體復(fù)合納米光催化劑的光解水性能。通過分析Co3O4納米顆粒和Co3O4-TiO2復(fù)合納米顆粒的氮氣吸附脫附曲線，紫外可見吸收光譜，(Ahv)2-hv曲線以及XPS價帶譜等表征結(jié)果，說明Co3O4納米顆粒在可見光范圍內(nèi)具有優(yōu)異的吸收性能，比表面積

7、為17.7m2/g，具有可見光分解水生成氫氣的能力;產(chǎn)物Co3O4-TiO2納米材料是粒徑約為400nm比表面積為39.64m2/g的介孔結(jié)構(gòu)，具有在可見光下完全分解水的催化能力。進(jìn)一步搭建了光解水平臺進(jìn)行實驗，結(jié)果說明Co3O4納米顆粒在模擬太陽光激發(fā)下分解純水只能生成H2，速率為6.5μmol h-1 g-1;而Co3O4-TiO2半導(dǎo)體復(fù)合材料被模擬太陽光激發(fā)完全分解純水生成H2和O2的效率分別為8.16μmol h-1g-1和4