新型光催化材料及光催化复合材料的制备与性能研究

摘要

在污染物降解以及能源生产领域中,半导体光催化是最有前景的方法之一。当能量大于或等于半导体禁带宽度的光子照射在光催化剂表面上时就会产生电子空穴对的分离,这就是光催化反应的最初的基本步骤。光生的电子空穴对既可以在半导体内部中复合,也可以分离到表面。分离到表面的电子和空穴就可以跟吸附在催化剂表面的物质进行化学反应。为了寻找高效的光催化剂,大量研究工作都集中在研究光催化活性的影响因素上。
　　在本论文中,根据局部结构的畸变产生的偶极矩能有效地分离电子-空穴对,提出了堆积因子模型。堆积因子能反映金属氧化物多面体的变形能力,晶格间空间原子的震动和电子-空穴对分离和传输能力。
　　我们以相同晶体结构的光催化剂MWO4（M=Ca,Sr,Ba）,MBiO2Cl（M=Ca,Sr,Ba）,以及Sr2Bi2O5,SrBi2O4,和BiVO4体系,来研究这些可以影响半导体光催化性能的因素。我们这项工作的意义就是提出了这个具有普适性的结构-性能模型,来判断具有相似化学组成或晶体结构的材料之间的性能差异。堆积因子低、空旷度高的光催化材料具有高的电子-空穴对分离和传输能力,往往拥有高的光催化性能。该结构与性能关系模型可以作为一种新的光催化性能评估方法。
　　除了本论文中的3个实验体系。文献论据总计有18个材料体系的化合物,涉及主要的d0阳离子(Ti4+、Vs5+、Nb5+、Ta5+、Cr6+、Mo6+、W6+)和主要的d10阳离子(Ag+、Zn2+、Cd2+、Ga3+、In3+、Sn4+、Sb5+、Bi3+)。这些研究都可以表明空旷度越高,相应的堆积因子越低,往往拥有高的光催化性能。根据空旷度模型,具有（局部）空旷结构的层状材料往往具有较好的电子。空穴对分离能力,可以作为高效的光催化剂,并可应用于分解水,及降解污染物。据此,我们研究了一系列新型光催化材料,如PbBiO2Br（2.3 eV）,PbBiO2Cl（2.45eV）,MBiO2Cl（M=Ca（3.39 eV）,Sr（3.41 eV）,Ba（3.07 eV））,CdBiO2Cl（3.08 eV）.等。这是继所报道的氧化物、硫化物、氧硫化物、氮化物、氧氮化物、氢氧化物、碳化物和硅化物等光催化材料外另一个重要体系。晶格内置电场是评价电子-空穴对分离和传输能力的重要参数之一。
　　我们认为层间的强静电场能够促进光催化过程中光生电子-空穴的分离,这也是这类氧卤化物材料具有高光催化性能的主要原因。另外,合成复合材料是提高材料性能的一种重要手段。可以提高光催化性能的方法有几种。最有效的一种是在半导体表面负载金属粒子,该方法已经在光催化中得到广泛应用。另外一种是合成半导体复合材料。在本论文中,我们使用一种简单,方便,稳定,高效的方法-银铵溶液（铜铵溶液）的氧化还原反应,在半导体表面负载均匀分散的纳米Ag或Cu2O颗粒。

目录

摘要

Abstract

Section One Introduction

1-1 The summary of photocatalysis

1-2 The influence factors of photocatalytic activity

1-3 The design and aim of dissertation

Reference

Section Two Instruments of Characterizations and performance test

2-1 Instruments of characteration

2-2 Test performance of photocatalysts

Section Three Structure-dependent photocatalytic activities of photocatalysts

3-1 Introduction

3-2 Experimental

3-3 Results and discussion

3-4 Conclusion

Reference

Section Four The novel Bi-based oxyhalides photocatalysts

4-1 Introduction

4-2 Experimental

4-3 Results and discussion

4-4 Conclusion

Reference

Section Five Photocatalysts compositions

5-1 Introduction

5-2 Experimental

5-3 Conclusion

Reference

Section Six Conclusion

Publications

Acknowledgement