納米Ag修飾多級硅光電極的制備及其光電催化脫氯性能.pdf

1、光催化技術是環境污染控制領域最具發展前景的新技術之一。該技術利用光子誘導的強氧化性空穴或羥基自由基(·OH)分解有毒有害污染物，具有可利用太陽能、環境友好和無選擇性等優點。TiO2是研究最廣泛的光催化材料，其禁帶寬度為3.2 eV，只能吸收占太陽光譜5％的紫外光，而且光生電荷復合率高導致量子效率低，使其難以高效利用太陽能，也制約了該技術的實際應用。因此，拓展吸收光譜范圍和抑制光生電荷復合是光催化技術研究的重要方向。
　　硅的禁帶寬

2、度為1.12 eV，能吸收1100nm以下的太陽光。構建異質結是提高光生電荷分離效率的有效途徑。因此設計新型硅基異質結光催化材料有望解決上述問題。
　　硅材料在污染控制領域應用面臨的主要問題是容易與水或氧氣反應導致氧化鈍化，另外如何減少對光的反射也是提高硅材料光轉換效率的關鍵。針對上述問題，本論文通過制備多級結構減少硅材料對光的反射，進一步通過在多級硅表面負載納米Ag構建異質結以提高電荷分離效率并阻止硅與水或氧的接觸從而抑制鈍化，

3、最終實現對太陽光的高效利用和促進光催化技術向實用化發展。研究工作主要包括如下內容:
　　(1)采用金屬輔助無電化學刻蝕法制備多級結構硅納米材料。掃描電鏡(SEM)觀察到硅柱(Silicon micropillar，SiMP)陣列表面均勻地分布著長度均一、排列整齊的硅納米線(Silicon nanowire，SiNW)。光照下的線性循環伏安測試結果表明，刻蝕時間為25 min的SiNW/SiMP在-1 V時的光電流密度為-31 mA

4、·cm-2(vs SCE)，大于刻蝕時間為5、10、15、20和30 min的其他樣品。循環伏安測試結果顯示，制備出來的SiNW/SiMP在水溶液中不穩定，光電流隨時間衰減，這是由于硅被水和溶解氧氧化成絕緣的SiO2所致。SiNW/SiMP電極對4-氯酚的光電催化脫氯效率達到85％，分別是電催化過程和光催化過程去除率的3.3倍和1.5倍，是SiMP(60％)的1.4倍，表現出良好的光電催化性能。
　　(2)為改善SiNW/SiMP

5、在水溶液中的穩定性，采用無電化學沉積的方法在其表面沉積Ag納米顆粒。采用SEM、X射線衍射和能量彌散X射線確認了SiNW/SiMP表面存在Ag納米顆粒。測試Ag沉積時間分別為1、3和5 min的樣品的循環伏安和線性伏安，發現隨著沉積時間的延長，光電流先增加后減小，電化學穩定性顯著改善。沉積時間為3 min的Ag/SiNW/SiMP樣品十個循環中光電流保持不變，為-37.5 mA·cm-2，超過3 min后，雖然穩定性仍然很好但是光電流減

6、弱。這一變化規律可以解釋為過多的Ag阻礙了硅對入射光的吸收。
　　(3)以4-氯酚為目標物評估Ag/SiNW/SiMP在水溶液中光電催化脫鹵性能。六次重復實驗結果表明，Ag/SiNW/SiMP電極能夠在水溶液中長時間穩定地輸出光電流。反應1小時后，光電催化過程脫氯效率達到95％，分別是電催化過程(38％)和光催化過程(66％)的2.4倍和1.4倍。Ag/SiNW/SiMP對4-氯酚的動力學常數為0.104 min-1，分別是SiN

7、W/SiMP電極(0.033 min-1)和SiMP電極(0.013 min-1)的3.2倍和8倍，表現出優良的光電催化還原脫氯性能。這是由于Ag與硅界面處的內建電場促進了光生電子與空穴的分離，使更多的光生電子參與到脫氯的反應中去，從而提高光電催化脫氯的效果。
　　綜上，本論文描述的Ag/SiNW/SiMP能夠借助Ag的保護作用克服Si的鈍化，利用Ag與Si內建電場促進電荷分離，利用SiNW/SiMP結構減少光的反射以及增大與污染