Co3O4-TiO2半导体P-n结纳米颗粒制备及其光催化性能研究
面对日益增长的能源需求，开发绿色新能源成为当前的研究热点。模拟自然界光合作用，在太阳光的照射下利用半导体纳米材料作为光催化剂分解水制备H2的人工光合作用受到了越来越多的关注。在众多半导体材料中， n型半导体TiO2纳米材料作为光催化剂进行水分解的研究很多，但由于其禁带宽度为3.2eV，只能被紫外光激发，而太阳光中紫外光只占5％，所以研究TiO2纳米光催化剂的热点是对其进行掺杂改性，使其充分利用太阳光。Co3O4由于其禁带宽度接近可见光的能量，而被越来越多的作为光催化剂用于可见光分解水。但作为典型的p型半导体，Co3O4并不能完全分解水生成H2和O2。 基于此，本文将两种材料复合，制备出Co3O4-TiO2半导体p-n结纳米颗粒，并以该材料作为光催化剂进行可见光分解水的实验。相关研究内容可归纳为以下几方面: (1)提出一种新结构Co3O4-TiO2半导体纳米复合材料，利用两种半导体复合来改变材料的能带位置，达到完全分解水的条件。并通过形成p-n结来提高复合材料较单一材料更高的气体生成效率。 通过对半导体纳米材料的研究总结，设计了一种具有p-n结的半导体复合材料。利用可以被可见光激发的p型半导体Co3O4纳米材料与可以完全分解水的n型半导体TiO2纳米材料进行复合，在两种材料的接触面形成p-n结。由于能带位置不同，在可见光激发下，电子从p型半导体Co3O4的导带转移到n型半导体TiO2的导带上，而TiO2价带中的空穴则可以转移到Co3O4的价带上。光生载流子沿着材料内部电场移动，减小了光生电子和空穴的复合几率，增加了光催化反应中的电子和空穴的数目，从而提高材料的可见光光解水效率。 (2)利用一种新方法碳辅助法一步制备出不同形貌的Co3O4半导体粉末，并得到了最合适的实验参数，并以该材料为基础成功制备出具有p-n结的Co3O4-TiO2半导体复合纳米光催化剂。 提出一种新方法，碳辅助法，制备出了Co3O4半导体材料。我们先利用脱脂棉作为分散剂，充分吸收钴盐后在氧气中高温煅烧制备Co3O4纳米颗粒。并通过SEM，TEM，XRD，XPS，紫外可见吸收光谱，傅立叶红外光谱对材料进行表征，得到以脱脂棉和硝酸钴作为反应物，温度600℃，高温煅烧2h，可以制备出粒径50 nm具有高比表面积和宽吸收谱的Co3O4纳米颗粒。进而分别利用溶胶凝胶法和碳辅助法在Co3O4纳米材料上负载TiO2纳米材料，在两种材料界面形成p-n结。通过TEM，XRD，XPS，紫外可见吸收光谱等分别对两种方法得到的材料进行表征，结果说明溶胶凝胶法成功制备出具有p-n结的Co3O4-TiO2半导体复合材料。 (3)通过表征结果证明Co3O4和Co3O4-TiO2纳米材料具有光解水能力，搭建了实验平台，验证了Co3O4和Co3O4-TiO2半导体复合纳米光催化剂的光解水性能。通过分析Co3O4纳米颗粒和Co3O4-TiO2复合纳米颗粒的氮气吸附脱附曲线，紫外可见吸收光谱，(Ahv)2-hv曲线以及XPS价带谱等表征结果，说明Co3O4纳米颗粒在可见光范围内具有优异的吸收性能，比表面积为17.7m2/g，具有可见光分解水生成氢气的能力;产物Co3O4-TiO2纳米材料是粒径约为400nm比表面积为39.64m2/g的介孔结构，具有在可见光下完全分解水的催化能力。进一步搭建了光解水平台进行实验，结果说明Co3O4纳米颗粒在模拟太阳光激发下分解纯水只能生成H2，速率为6.5μmol h-1 g-1;而Co3O4-TiO2半导体复合材料被模拟太阳光激发完全分解纯水生成H2和O2的效率分别为8.16μmol h-1g-1和4.0μmol h-1g-1，H2和O2的生成率之比约为2∶1。
p-n结纳米颗粒;四氧化三钴;二氧化钛;制备工艺;光催化性能
中北大学
博士
测试计量技术及仪器
薛晨阳
2015
中文
TB383
109
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）