金屬氧化物復合體系氣相光電催化性能與表征.pdf

1、光催化技術是致力于新能源利用和環境保護交叉領域的一項重要技術。光催化技術的基本原理是,半導體光催化劑吸收太陽能,產生具有氧化還原活性的電子空穴對,進而通過一系列分解反應將有機污染物降解為無毒無害的二氧化碳和水。光催化技術涉及材料、表征和應用三個層面的研究。其中半導體復合材料、光電性能和氣相光電催化降解揮發性有機污染物(VOCs)分別是相應層面中的熱點和重點。本文致力于在電荷轉移共性問題的基礎上,通過研究三者之間的內在聯系,來探尋氣相光電

2、催化領域新的視角,并嘗試推動其向應用化發展的進程。
　　本文從金屬氧化物復合體系出發,基于組合材料學的思想,并行合成了包含66個成分點的TiO2/WO3/MnO2三元復合體系的成分三角形。其中包括二元混合型復合體系27個,三元混合型復合體系36個。我們高通量表征了所有成分點的光電響應性能,探討了復合體系的能帶匹配模式與光電性能的構象關系。結果表明,錯開型的TiO2/WO3復合體系促進了載流子的分離,從而可以提高光電響應性能。而跨立

3、型的TiO2/MnO2和WO3/MnO2復合體系強化了載流子的復合,從而削弱了光電響應性能。除此之外,材料的光電響應性能還與晶界勢壘的高度密切相關。在66個成分三角形中,我們篩選出了TiO2/WO3摩爾比例為2:8的成分點,其在紫外、藍光和白光條件下均有最好的光電響應性能。
　　我們利用篩選出來的具有優異光電性能的TiO2/WO3復合體系進行了氣相光電催化降解丙酮的研究,并與單相的TiO2進行了對比。結果表明,iO2/WO3復合體

4、系在紫外光照射下,僅僅施加0.2V偏壓,降解速率常數就提高了2倍多,而對于單相TiO2的性能卻無任何的改變。據相關文獻報道,TiO2需要施加幾十伏的電壓催化效率才能提高不到1倍。我們發現使用特定能帶匹配模式的復合體系,可以大幅降低對外加偏壓的要求,在較低的電壓下就可以表現出明顯的光電協同效應。因此,該研究結果對于目前提倡的低碳經濟有著重要的意義。
　　在低偏壓氣相光電催化概念的基礎上,我們優化了異質結的結合形式,設計了疊層氣相光電

5、催化單元。在該單元中,TiO2作為空穴的受體處于表層,WO3作為電子的受體處于底層,施加偏壓的插指電極置于底層的WO3之下。研究結果表明,通過層級異質結和低偏壓的共同作用,可以產生顯著的協同效應,強化電子的分離,使得具有強氧化性的空穴富集在催化單元的表面,大幅提高了催化降解效率。在紫外光下,施加0.2V偏壓,TiO2/WO3疊層光電催化單元的催化降解效率是單一TiO2膜層的5倍多。
　　在通過強化電子的分離實現高效催化的啟發下,結

6、合在氣相光電催化的性能研究中,催化活性隨電壓幅值的變化出現過猶不及的現象。我們放棄一味提高外加偏壓的慣性思維,提出了交變外場的新思路。結果表明,在低壓高頻正弦半波電場的作用下,可以使TiO2和WO3的催化活性實現大幅的提高。不僅如此,高頻外場還可以改變催化反應的路徑,避免甲醛等劇毒中間產物的生成。
　　最后我們基于研究中對外場、氣氛和異質結的認識,通過對TiO2/WO3光電流和催化性能的對比研究,嘗試建立了復合體系的光電流、電荷分