金属氧化物半导体光催化剂界面修饰及其电子转移机制研究
日益严重的能源和环境污染问题使开发可再生的清洁能源迫在眉睫。太阳能和氢能是两种广受关注的新能源，通过光催化技术将太阳能转化为氢能受到了研究者的高度关注。其中，高效、稳定的催化剂的设计和组装是研究的重点。由于过渡金属氧化物的价态可调、结构丰富及价格低廉等优异特性，被认为是具有实际应用价值的半导体光催化剂。本论文基于具有一定光催化活性的氧化亚铜和氧化锌，以卟啉和金属有机框架(MOFs)作为光吸收天线，通过非共价相互作用构建了一系列金属氧化物/卟啉和金属氧化物/MOFs纳米组装体，并进一步研究了组装体的组装机制、光催化析氢活性及光生电子转移机理，其主要研究内容如下： 以立方相氧化亚铜为电子受体和活性中心，5,10,15,20-四(4-磺酰基苯基)卟啉(TSPP)为光捕获天线和电子供体，构建了TSPP/Cu2O异质结构纳米光催化剂。通过紫外可见光谱、红外光谱、理论计算等手段详细研究了其组装机理。结果表明，TSPP通过双重相互作用锚定在立方相Cu2O上，这不但能提高TSPP与Cu2O之间的相互作用，也能有效抑制Cu2O的氧化和TSPP分子之间的聚集。此外，进一步对比研究了多种相关材料的光催化析氢性能，结果表明TSPP/Cu2O纳米复合材料具有更高的催化活性。通过荧光光谱、XPS、光电流响应、电化学阻抗谱等手段研究了TSPP/Cu2O纳米复合物中电子转移的机理。结果表明，TSPP与Cu2O界面之间双重的相互作用能提高载流子的迁移，因此光催化性能得到较大幅度提高。 以铜纳米粒子为桥联剂，组装了氧化锌纳米棒(ZnONR)与TSPP纳米复合物(ZnONR-Cu-TSPP)。组装机理的研究结果表明，TSPP通过双重相互作用(氢键相互作用和配位相互作用)锚定在ZnONR-Cu上。此外，ZnONR-Cu-TSPP纳米复合物由于增强的光吸收和异质界面电荷的有效分离而表现出较高的光催化活性。通过研究目标材料的光催化机理，发现铜作为桥联剂不仅可以增强ZnONR与TSPP之间的相互作用，还可以为光催化析氢反应提供更多的活性位点。通过研究不同含量TSPP的引入对ZnONR-Cu光催化活性的影响，发现当TSPP的质量比为6.67%时，纳米复合材料的光催化性能最优。此外，以该复合物进行连续30h的循环析氢，发现其析氢量未发生明显变化，表明其具有较高的光催化析氢稳定性。 通过钛酸四丁酯水解及烧结在纳米立方相Cu2O的表面构筑Cu2O@TiO2异质结，进而将ZIF-8包覆在其外表面，构建了一种基于Cu2O@TiO2异质结的新型MOFs纳米复合材料(Cu2O@TiO2@ZIF-8)。在可见光照射下，该纳米复合材料表现出较好的光催化析氢活性和稳定性。此外，通过荧光光谱、光电流响应、电化学阻抗谱等手段研究了其电子转移机理。结果表明，Cu2O@TiO2@ZIF-8纳米异质结产生的内置电场可以有效抑制光生电子-空穴的复合，而该体系较高的光吸收能力和Cu2O@TiO2与ZIF-8之间的协同作用也是提高其光催化析氢活性的主要因素。 上述通过非共价相互作用构筑的一系列结构新颖、光催化性能优异、催化性能稳定的金属氧化物基光催化剂体系为设计和合成其它高效的光催化剂提供了新的思路，也为解决光生电子转移机理提供了理论依据和实验参考。
金属氧化物;卟啉;金属有机框架;界面修饰;光催化制氢;电子转移
上海应用技术大学
硕士
应用化学
李向清
2020
中文
O643.36
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）