银基固溶体异质结的结构基础与光生载流子行为及性能研究

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环境污染已经成为当今社会所关注的主要问题,半导体光催化技术因其高效治理,无二次污染的特点成为解决环境污染的重要技术。传统光催化材料存在对可见光吸收效率低、光生电子空穴分离效率差等问题,因此,新型光催化材料得到了广泛关注。银基固溶体作为新型光催化材料有着更窄的带隙可以吸收可见光,并且其独特的电子结构可以有效的提高电子空穴分离效率。然而银基固溶体仍然存在电子空穴容易复合的问题。构建异质结成为改善银基固溶体性质的有效方法,其可以提供丰富的耦合界面,有效分离光生载流子的驱动力,对于提升光催化性能有很大的作用。本论文以银基固溶体为研究对象,通过混晶异相结和压电异质结的策略,构筑了新型异质光催化材料,系统研究了物相、形貌、吸收光谱、光生载流子行为以及光催化性能,具体内容如下:(1)通过水热条件下的相变反应原位获得α/β-Ag Al0.4Ga0.6O2混晶异相结。混晶异相结的微观结构表明样品包含高结晶度的α和β两相。通过能带交叠能够实现可见光吸收截止边在500~575 nm之间可调,在可见光辐照下,在90 min内对四环素的降解率可以达到87%,高于α相和β相的降解率。研究了四环素(TC)浓度、光催化剂用量、p H值和共存阴离子对四环素降解过程的光催化性能的影响。光电化学的研究验证了样品载流子分离和迁移效率的提高。其中,混晶异相结的光电流值分别是β相和α相的5倍和7倍。此外,还对其可循环性、氧化活性物以及光催化机理进行了研究。(2)通过溶胶凝胶法和水热法构建了BaTiO3/AgAlO2铁电异质结,利用极化效应提高样品的光催化性能。微观结构测试的结果表明BaTiO3颗粒分散在片状AgAlO2的表面,尺寸均匀。压电测试的结果表明,在1.5 V电压下,样品局部相位角发生了很大变化,证实了极化切换过程。蝶形位移电压磁滞回线证实了源自BaTiO3的局部压电响应。由于两相的能带重叠,异质结的紫外-可见吸收截止边在415到545 nm之间。光催化实验结果表明铁电异质结对甲基蓝(MB)光降解效率在超声的极化诱导辅助下提高了22%。光电化学分析表明极化效应提高了样品光生载流子的分离效率,尤其是BaTiO3/AgAlO2的光电流强度分别是BaTiO3和AgAlO2的4倍和6倍。此外,BaTiO3/AgAlO2经超声极化后的光电流强度为极化前的1.6倍,压电极化可以有效提升光生载流子分离效率。(3)利用固相反应制备了ZnO/AgAlO2异质结。对ZnO/AgAlO2异质结进行相结构和微观结构分析,结果表明高结晶度纯ZnO和纯AgAlO2相互结合,均匀分布。该异质结的紫外-可见吸收边缘可以通过两相的能带重叠来控制在390~440 nm之间。此外,ZnO/AgAlO2异质结具有良好的可见光催化性能,90 min内对甲基蓝的降解率为91.8%,是纯ZnO和纯AgAlO2降解率的1.24和1.37倍。光生电子空穴分离转移效率是通过光电化学测试进行研究。其中,ZnO/AgAlO2异质结的PL光谱强度要远低于纯ZnO和纯AgAlO2的,证明异质结具有较低的光生电子空穴复合率。此外,瞬态光电流和交流阻抗谱也佐证了上述结果。
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