钒酸铋和二氧化钛多孔材料:微结构的功能调控作用

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangliang19910125
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半导体材料已经无处不在地应用于我们的生产生活。这不仅要归因于它具有优异的物理化学性质以及廉价节能的优势,更重要的是,半导体功能的可调控性为研究和应用带来了无限的可能和希望。目前,已经有大量的研究工作投入到了功能性半导体材料的设计合成和功能优化。研究证实,半导体材料宏观功能的开发和优化可以通过微结构的调控来实现。因此,阐明半导体的微结构对功能的调控机制对于新型功能半导体材料的开发有着非常重要的意义。钒酸铋(BiVO4)和二氧化钛(TiO2)是两种具有代表性的典型的半导体材料。BiVO4自身拥有窄能带而被作为一种新型的有前景的可见光光催化剂用于光催化降解有机物以及光解水产氧。TiO2则以其廉价,无毒,耐酸碱性,特别是优异稳定的物理化学性质而被广泛地研究和应用于染料、催化剂、气敏材料、光催化剂、光学器件以光伏电池等。本论文基于BiVO4和TiO2的新型功能材料的可控制备,研究了BiVO4和TiO2的微结构对于其光电及光催化功能的调控。这项研究不仅进一步清晰了半导体材料的微结构对于功能的调控机制,也为新型半导体功能材料的开发提供了有价值的依据和参考。首先,利用胶体碳球辅助合成了具有大孔结构的V2O5-BiVO4异质结复合半导体材料。该复合材料在降解MB的光催化性能研究中表现了先进的可见光光催化效率。通过表面光电压谱和瞬态光电压技术系统地研究了材料中的光生电荷的行为,结果证明在V2O5-BiVO4复合物中形成的异质结构显著地影响了光生电荷的动力学行为(包括分离、传递和复合)。异质结构极大地增加了复合物中光生电荷的分离程度,并有效地延长了光生电荷的寿命。其次,利用光驱动的方法制备出了一种富含活性氢的钒掺杂多孔二氧化钛(V-TiO2(H*))半导体材料,该材料被证明是一种具有可再生能力的绿色有效的还原剂。V-TiO2(H*)可以在没有催化剂参与的条件下快速(<10s)并且选择性地将芳香硝基还原为相应的芳香胺。研究证明,钒的掺杂有效地增加了产物中活性氢的含量,进而促进了V-TiO2(H*)还原剂的还原能力。再次,通过一种新的“自掺杂”方法设计合成了一种三价钛高度自掺杂的多孔二氧化钛材料(Ti3+-TiO2)。该材料可以作为室温下一氧化碳(CO)气体的半导体传感材料,并表现出了高度的选择性和快速的响应恢复能力。研究证明,大量自掺杂的Ti3+一方面有效地降低了TiO2的本征电阻。另一方面极大地促进了氧在材料表面的吸附,进而促进了材料的表面反应活性。因此,这种“自掺杂”的方法有效地克服了半导体基传感器实现室温操作的两大障碍,即“高电阻”和“低反应活性”。最后,研究了多孔无定形二氧化钛的自发室温晶化形成高比表面积的锐钛矿相二氧化钛。该自发晶化过程无需溶剂、添加剂以及催化剂的参与。获得的锐钛矿相二氧化钛材料是光解水产氢的有效的光催化剂,它的光催化活性是基准P25(商业二氧化钛)的两倍以上。优异的性能都归功于温和的晶化手段,即自发的室温晶化合成方法。它不仅保持了该材料光催化性质的优势晶相,同时保持了材料的孔道结构以及大比表
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