富受主氧化锌异质结微米管的制备及光催化性能研究

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ZnO是第三代宽禁带半导体材料之一,其较大的禁带宽度和激子束缚能,引起了相当多的关注。由于ZnO优异的特性,在高效稳定的紫外/蓝光LED,光电探测器,光催化降解污染物等方面已经在世界各地得到广泛的应用。近些年,我们课题组发明制备了一种六边形横截面的管状ZnO,并将其命名为富受主氧化锌(A-ZnO)单晶微米管,研究表明这种管状结构材料是一种比较优秀的光催化剂。本文通过光学气相过饱和沉积(OVSP)的方法,制备出了A-ZnO单晶微米管,它的直径为100-200μm,微米管管壁的厚度为1-2μm。由于其较高的比表面积及由于管状结构带来的限光特性,使其相比于单纯的ZnO微米颗粒/片式结构具有更高的光催化效率。同时由于其尺寸较大易于进行催化剂回收,不易污染水源,可降低催化剂的损耗。然而这种A-ZnO微米管依旧具有ZnO本身作为光催化剂的缺点:光生电子和空穴容易复合从而导致大大降低光生电子和空穴的寿命,进而造成光催化效率的低下。在此基础之上,本文通过固相反应法成功制备出A-ZnO基异质结微米管:p-Cu O/A-ZnO和A-ZnO/n-ZnS,我们分别在A-ZnO微米管上合成了p-Cu O和n-ZnS微纳结构,组成两种不同的异质结构。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和拉曼光谱等手段,对制备出的A-ZnO基异质结微米管进行了性能表征。最后对不同的A-ZnO基异质结微米管进行了光催化性能测试,得到的结论为,由于A-ZnO中含有大量的Zn空位相关的浅受体,并与n-ZnS具有相似的晶体结构,导致A-ZnO/n-ZnS光降解效率最高,达到0.105 min-1,是A-ZnO微管和n-ZnO纳米颗粒的两倍和三倍。最后文章探究了A-ZnO微米管的光催化提升机理,通过能带理论揭示了A-ZnO微米管在II型异质结构筑及光催化降解中的载流子输运机制,给出了p-Cu O/A-ZnO效率较低而A-ZnO/n-ZnS效率较高的原因:A-ZnO微米管因具有大量Zn空位相关的浅受主,在A-ZnO/n-ZnS中形成深势阱II型异质结更易于促进光生载流子分离,有效提升光催化降解速率。为了验证理论模的正确性,本文还对不同的A-ZnO基异质结微米管进行了电化学阻抗和光电流测试。同时,本文还对ZnO微米颗粒使用相同方法制备异质结进行光催化性能测试,验证理论模型的正确性。
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