Fe2O3基二元复合纳米材料的制备及其光电特性研究

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赤铁矿(α-Fe2O3)因具有良好的化学稳定性、价格低廉,环境友好且具有窄的带隙宽度(1.9-2.2 eV),高达40%太阳能吸收效率而被认为是光催化降解有机污染物中最有前景的半导体材料之一。然而,α-Fe2O3单体材料吸收系数差,导电率低,激子寿命短(≈10-1212 s),空穴扩散长度短(2-4 nm),电子-空穴对复合速度快等影响了α-Fe2O3的大范围光催化应用。复合光催化材料可以充分利用异质结构间的协同效应,有效调节半导体材料的带隙结构,同时异质界面可以有效地辅助光诱导电荷载体迁移并阻碍这些电荷载流子重组以提高光催化降解有机污染物的效率。因此,基于异质结构的复合光催化剂设计已成为氧化铁基光催化材料的研究重点。本文利用纳米氧化铁为基材,分别构建了氧化铁基的金纳米复合材料(AuNPs/α-Fe2O3和AuNWs/α-Fe2O3)以及氧化铁为核的α-Fe2O3@SiO2核壳结构,并对复合材料的光电催化性能进行了系统的研究,并归纳总结了氧化铁基二元复合材料的可见光增强机制。(1)以氯化铁和醋酸钠为原材料,制备出尺寸为39±7 nm的α-Fe2O3纳米颗粒。然后采用简单的一步法以氯金酸为原材料,己烷为溶剂,油胺为模板,三异丙基硅烷为还原剂制备出尺寸为3.8±0.8 nm的金纳米颗粒。最后使用4-巯基苯甲酸作为桥连剂,获得(不同质量比)AuNPs/α-Fe2O3-x光催化剂。与典型的α-Fe2O3相比,AuNPs/α-Fe2O3-0.1复合材料具有更窄的带隙(1.88 eV),更强的光电流响应(0.52 mA/cm2,是纯的α-Fe2O3光电流强度的4.3倍)。在可见光照射下AuNPs/α-Fe2O3-0.1复合材料对阴离子型染料甲基橙具有更好的光催化降解速率(0.222 h-1)。(2)使用4-巯基苯甲酸作为桥接剂,制备了(不同质量比)AuNWs/α-Fe2O3-x光催化剂。光电流的测试结果表明AuNWs/α-Fe2O3-0.1具有显著的光电性能:更大的光电流强度0.46 mA/cm2是α-Fe2O3(0.12mA/cm2)的3.7倍,更优的阴离子染料(MO和CR)降解效率。(3)以直径39±7 nmα-Fe2O3为核,通过硅酸乙酯的水解,得到SiO2@α-Fe2O3-x核壳结构。光电流的测试结果中可以看出随着二氧化硅包覆厚度的增加,SiO2@α-Fe2O3-x的光电流强度呈现先增后减的趋势,其中SiO2@α-Fe2O3-0.5的光电流密度达到最大值为0.27 mA/cm2,是α-Fe2O3的1.6倍。并且样品SiO2@α-Fe2O3-0.5呈现出最好的光催化降解有机染料RhB效率74.9%,相对于纯的α-Fe2O3降解率效提高了10%。
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