锡酸锌基光催化剂的制备及其性能研究
众所周知,随着经济的快速发展,人类正面临着严重的环境污染和能源短缺问题,如何解决这两个制约人类发展的难题,已成为全世界关注的焦点.自从1972年,Fujishima首次报道了用紫外光照射由金属电极与Ti02半导体电极组成的电池可以分解水制氢以来,半导体光催化技术已被认为是解决环境污染问题的重要方法之一.在众多半导体材料中,Zn2SnO4是典型的反尖晶石结构,因具有高的电子迁移率,高的电导率及良好的稳定性等特点,在光化学电池及光催化领域得到了广泛的应用.然而,Zn2SnO4光催化剂由于带隙宽而只能吸收太阳光中占小部分的紫外光,这严重限制了其在实际生活中的应用.因此,如何拓宽Zn2SnO4的光谱响应范围,增强其对可见光的吸收是目前亟待解决的问题.本文针对Zn2SnO4固有的缺陷,通过控制其形貌,简单的过渡金属掺杂及与窄带隙半导体复合等改性方法,来提高Zn2SnO4在可见光下的光催化性能.取得的主要成果如下:(1)采用水热法成功制备了八面体及多面体的Zn2Sn04粉体,并研究了水热过程中溶液的pH值对其形貌的影响.在模拟太阳光下,将在不同的溶液pH值下制备的Zn2Sn04光催化剂用来降解罗丹明B溶液来检验其光催化性能.实验结果表明,溶液pH=11时所制备的八面体形貌的Zn2SnO4具有最好的光催化性能(在90min内罗丹明B的降解率为95%).这是因为pH=11时所制备的八面体Zn2SnO4的表面由六角纳米片组成,这些六角纳米片组成相互连通的网络,加快了电子和空穴从催化剂内部向表面转移的速度.另外,pH=11时所制备的八面体Zn2SnO4具有较低的电子空穴复合率,所以具有较好的光催化性能.(2)采用过渡金属掺杂这一改性方法对Zn2SnO4进行改性研究.在众多的过渡金属中,Co2+的化合价与Zn2+相同且Co2+的离子半径(0.745 A)与Zn2+(0.74 A)相近,所以本文选用Co作为掺杂元素.利用水热法制备出不同摩尔浓度的Co掺杂的Zn2SnO4纳米颗粒,在可见光下用来降解罗丹明B溶液,并探讨了 Co的掺杂量对Zn2SnO4光催化性能的影响.实验结果表明,当Co的掺杂量为2mol%时,Zn2SnO4的光催化性能最好(在120min内对罗丹明B的降解率为93%).Co掺杂的Zn2SnO4纳米颗粒的光催化性能相比于纯的Zn2SnO4有很大的提高,这是由于随着Co掺杂量的增加Zn2SnO4的紫外可见吸收边发生红移,带隙减小,导致其对可见光的吸收增强.另外,Co的掺杂使得Zn2SnO4的导带与价带间形成了掺杂能级,Co2+作为光生载流子的捕获阱降低了电子与空穴的复合率.(3)通过与窄带隙半导体复合这一改性方法对Zn2SnO4进行改性研究.采用水热法将Zn2SnO4与少量Bi2WO6复合制备出Bi2WO6/Zn2SnO4异质结,在模拟太阳光下用来降解罗丹明B溶液,并探讨了Bi2WO6含量对Zn2SnO4光催化性能的影响.实验结果表明Bi2WO6/Zn2SnO4异质结在模拟太阳光下具有很好的光催化性能,并且当Bi2WO6含量为5mol%时其光催化效果最好(在80min内罗丹明B的降解率为96%).Bi2WO6/Zn2SnO4异质结光催化性能的提高是由于Bi2W06与Zn2SnO4之间匹配的能级结构和异质结的形成造成的.由于Zn2SnO4价带电势比Bi2W06高,使得Zn2SnO4价带上的空穴能轻易的跃迁至Bi2W06价带上,而Zn2SnO4导带的电子难以迁移,这样使得电子-空穴对得到了有效的分离,增强了Zn2SnO4的光催化性能.
- 作者：
- 胡晓飞
- 学位授予单位：
- 大连工业大学
- 专业名称：
- 材料工程(专业学位)
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2017年
- 导师姓名：
- 郝洪顺；田庭燕
- 中图分类号：
- X703；O643.36
- 关键词：
- 锡酸锌；光催化剂；过渡金属掺杂；异质结
- Zn2SnO4； photocatalyst； transition metal doping； heterojunction