超薄二維納米材料的電子結構調(diào)控及其在光催化領域的應用.pdf

1、近些年來，由于人類對化石燃料的過度開發(fā)和使用，當今社會面臨著嚴峻的能源與環(huán)境危機。因此，我們亟需開發(fā)新型的環(huán)境友好型能源以實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展。在能源轉換領域中，半導體光催化反應能直接將太陽能轉化為清潔的化學能源，它被認為是一種解決環(huán)境污染與能源危機的有效途徑?；诖耍绾翁嵘雽w材料的光催化效率成為該研究領域的熱點問題。近年來發(fā)展起來的超薄二維納米材料因其獨特的電子與結構優(yōu)勢受到了研究者的廣泛關注，為實現(xiàn)高效的光催化反應帶來了巨大契

2、機。本論文旨在以超薄二維納米材料為基礎建立研究模型，通過調(diào)控材料的電子結構和分析光催化反應中的關鍵影響因素，設計和開發(fā)具有高效光催化性能的半導體材料，為它們在能源轉換領域的實際應用開辟了道路。本論文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　1.元素摻雜是一種修飾材料電子結構并提高光催化性能的有效途徑。雖然最近有很多關于元素摻雜的報道，但摻雜原子在光催化過程中所扮演的角色并不清楚，在很大程度上限制了元素摻雜的進一步發(fā)展。為此，我們首次合成了

3、具有超薄結構的氧摻雜-ZnIn2S4納米片光催化劑，并將其作為原型材料建立結構與性能之間的關系，研究摻雜原子在光催化過程中的重要作用。在本章工作中，我們首先建立了DFT模型來研究摻雜劑對催化劑電子結構的影響，理論計算表明氧摻雜能明顯增加ZnIn2S4納米片價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，提高光催化產(chǎn)氫的能力。通過超快光譜測試我們進一步發(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

4、平均壽命提高了1.53倍。光催化測試結果表明，氧摻雜的超薄ZnIn2S4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)氫速率達到2120μmol·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納米顆粒負載的方法來促進光生電荷轉移，并以Ag-K4Nb6O17雜化體系為催化模型深入理解Ag納米顆粒在光催化反應中的重要作用。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，促進光催化體

5、系中光生電子與空穴的有效分離。光催化性能測試表明，Ag納米顆粒的負載能顯著提高超薄K4Nb6O17納米片的光催化活性，其模擬太陽光照射下的產(chǎn)氫速率相對于單一的K4Nb6O17納米片提升了近20倍;可見光照射下的光催化產(chǎn)氫測試證明，Ag-K4Nb6O17復合體系中不存在由Ag納米顆粒向超薄K4Nb6O17納米片的熱電子注入。進一步的光催化對比實驗顯示，雜化體系能大幅提高產(chǎn)氫活性的主要因素不僅僅是Ag納米顆粒能促進體系中電荷遷移，也包括Ag

6、納米顆粒自身的表面等離子效應所帶來的附加電磁場。本章工作不僅為高效光催化劑的合成提供了一種簡單可靠的途徑，也為理解貴金屬在光催化反應中的重要作用提供了新思路。
　　3.結構扭曲能顯著地改變半導體材料的電子結構，引起光催化材料光吸收和能帶結構的調(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-C3N4樣品中引入結構扭曲，此方法相對于傳統(tǒng)的熱處理法更加簡單、快速。X射線吸收精細譜測試表明，改變快速加熱的溫

7、度可以有效調(diào)節(jié)樣品中結構扭曲的程度，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，結構扭曲的引入能引起g-C3N4樣品的電子重排，這一點能有效降低g-C3N4樣品的帶隙寬度，拓寬光吸收范圍。光催化產(chǎn)氫測試表明，結構扭曲的引入能顯著提高g-C3N4的光催化活性，在太陽光照射下，g-C3N4-700樣品的產(chǎn)氫速率可達255.0μmol·h-1，其性能相對于原始g-C3N4樣品提升了3倍。此外，由于具有合適的光吸收和能帶結構排列，g-