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半导体复合与贵金属修饰对Cu_2O光催化活性影响的研究

作　者: 史敬
导　师: 魏守强
学　校: 沈阳理工大学
专　业: 环境工程
关键词: ZnO/Cu2O Ag/Cu2O 复合光催化剂光催化降解甲基橙
分类号: X505
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

半导体光催化技术，是指在室温下以光为驱动力来活化催化剂，利用光生电子和空穴的氧化-还原反应来分解有机物和还原金属离子，在制氢、防腐、杀菌、污水处理等多方面广泛应用。目前研究较为成熟的二氧化钛（TiO₂）由于其禁带宽度较宽（3.2eV），对太阳能的利用率不到5%。所以寻找有可见光响应的催化剂的研究已经成为环境污染控制与可持续发展新能源开发利用的重大课题。对于窄带隙半导体氧化亚铜（Cu₂O，大约2.2eV），能够直接吸收可见光，对太阳能有较强的吸收效率，被认为是继TiO₂后最有发展潜力的半导体光催化剂之一。基于单相半导体光生电荷复合率高，不利于光催化反应进行，本文以ZnO和Ag为添加剂，分别用半导体复合和贵金属修饰的方法对两种导电类型的Cu₂O半导体进行改性，研究了ZnO/Cu₂O和Ag/Cu₂O复合材料的制备、光催化降解偶氮染料，并对其光催化机制进行了探讨。通过阴极电沉积的方法在导电玻璃基体（ITO）上制备了ZnO，n-Cu₂O，p-Cu₂O，ZnO/n-Cu₂O，ZnO/p-Cu₂O薄膜。并在Cu₂O的基础上，以AgNO₃为Ag源，通过直接氧化还原的方法制备出了Ag/n-Cu₂O，Ag/p-Cu₂O薄膜，通过X-射线衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM）和X-射线能谱分析（EDS）对薄膜进行表征。通过在模拟自然光照射下光催化降解甲基橙的活性来评价薄膜的光催化性能。结果表明，ZnO薄膜和单纯的n-Cu₂O和p-Cu₂O基本无活性。ZnO/n-Cu₂O的光催化活性有所提高，并且其光催化活性与底层ZnO的厚度和表层n-Cu₂O的沉积量有很大的关系，但在使用过程中薄膜光催化活性的稳定性较差。通过ZnO/n-Cu₂O异质结界面光生电荷转移机制解释了活性提高的原因。ZnO/p-Cu₂O的吸附能力比单一的p-Cu₂O有所改进，但是光催化活性几乎没有提高。通过直接化学还原法用Ag修饰n-Cu₂O和p-Cu₂O可以成功得到Ag/n-Cu₂O和Ag/p-Cu₂O薄膜。两种薄膜均具有丝状表面形貌，和单一Cu₂O相比，均具有较强的吸附能力。更重要的是，Ag修饰后的两种薄膜的光催化活性都有显著提高，且其使用过程中的稳定性都优于ZnO/n-Cu₂O。两种薄膜的光催化活性都与Ag修饰时间（Ag的含量）和Cu₂O的沉积时间（沉积量）密切相关，当Cu₂O的沉积时间为2min，Ag修饰时间为3min时，Ag/n-Cu₂O和Ag/p-Cu₂O薄膜的活性都达到最佳。Ag/n-Cu₂O的光催化活性高于Ag/p-Cu₂O，但稳定性相对较差。利用Ag/Cu₂O接触界面光生电子的转移机制解释了Ag/Cu₂O光催化活性提高的原因。相对较高的稳定性可能与Ag竞争消耗Cu₂O内的光生空穴有关。实验使用Ag/n-Cu₂O作光催化剂，研究了光催化条件对甲基橙降解的影响。甲基橙溶液的起始浓度、pH值、H₂O₂、无机阴离子和甲醇的共存对其降解率均有影响：起始浓度低时降解率较高，但是在所研究的浓度范围内绝对降解量随着浓度的增大而增大；甲基橙在自然pH值（8.2）下的降解率最高；甲醇的存在抑制了甲基橙的光催化降解； H₂O₂的加入可以提高降解率；共存的NO₃^-、SO₄^2-和Cl-三种阴离子对甲基橙的降解均有抑制作用。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第1章绪论  13-23
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 半导体光催化原理  14-15
  1.3 半导体光催化剂的分类  15-16
  1.4 宽带隙光催化剂 TiO_2  16-17
  1.5 窄带隙光催化剂 Cu_2O  17-21
    1.5.1 Cu_2O 的光催化性能  18-19
    1.5.2 Cu_2O 的制备方法  19-20
    1.5.3 Cu_2O 的改性  20-21
  1.6 本文主要研究内容  21-23
    1.6.1 研究内容  21-22
    1.6.2 特点与创新之处  22-23
第2章实验材料与方法  23-28
  2.1 实验材料与设备  23-24
  2.2 实验技术方案  24
  2.3 实验研究方法  24-27
    2.3.1 玻璃基体预处理  25
    2.3.2 薄膜制备方法  25-26
    2.3.3 光催化性能测试  26-27
  2.4 薄膜的表征  27-28
    2.4.1 XRD 表征  27
    2.4.2 SEM 及 EDS 表征  27-28
第3章 ZnO/Cu_2O 薄膜的制备及其光催化性能  28-43
  3.1 引言  28-29
  3.2 ZnO/nCu_2O 薄膜  29-37
    3.2.1 ZnO 薄膜的制备  29
    3.2.2 nCu_2O 和 ZnO/nCu_2O 薄膜的制备  29-30
    3.2.3 nCu_2O 和 ZnO/nCu_2O 薄膜的表征  30-32
    3.2.4 nCu_2O 和 ZnO/nCu_2O 薄膜的光催化性能  32-35
    3.2.5 nCu_2O 沉积时间对 ZnO/nCu_2O 光催化性能的影响  35
    3.2.6 ZnO 沉积时间对 ZnO/nCu_2O 光催化性能的影响  35-36
    3.2.7 ZnO/nCu_2O 薄膜的光催化稳定性  36-37
  3.3 ZnO/pCu_2O 薄膜  37-41
    3.3.1 pCu_2O 和 ZnO/pCu_2O 薄膜的制备  37
    3.3.2 pCu_2O 和 ZnO/pCu_2O 薄膜的表征  37-40
    3.3.3 pCu_2O 和 ZnO/pCu_2O 薄膜的光催化性能  40-41
  3.4 本章小结  41-43
第4章 Ag/Cu_2O 薄膜的制备及其光催化性能  43-61
  4.1 引言  43
  4.2 Ag/nCu_2O 薄膜  43-53
    4.2.1 Ag/nCu_2O 薄膜的制备  43
    4.2.2 Ag/nCu_2O 薄膜的表征  43-47
    4.2.3 Ag/nCu_2O 薄膜的光催化性能  47-49
    4.2.4 Ag 修饰时间对 Ag/nCu_2O 薄膜光催化性能的影响  49-51
    4.2.5 nCu_2O 沉积时间对 Ag/nCu_2O 薄膜光催化性能的影响  51-52
    4.2.6 Ag/nCu_2O 薄膜的光催化稳定性  52-53
  4.3 Ag/pCu_2O 薄膜  53-59
    4.3.1 Ag/pCu_2O 薄膜的制备  53
    4.3.2 Ag/pCu_2O 薄膜的表征  53-55
    4.3.3 Ag/pCu_2O 薄膜的光催化性能  55-56
    4.3.4 Ag 修饰时间对 Ag/pCu_2O 薄膜光催化性能的影响  56-57
    4.3.5 pCu_2O 沉积时间对 Ag/pCu_2O 薄膜光催化性能的影响  57-58
    4.3.6 Ag/pCu_2O 薄膜的光催化稳定性  58-59
  4.4 本章小结  59-61
第5章 Ag/nCu_2O 薄膜光催化降解甲基橙  61-71
  5.1 引言  61-62
  5.2 甲基橙的降解  62-70
    5.2.1 起始浓度的影响  62-64
    5.2.2 pH 值的影响  64-65
    5.2.3 H_2O_2的影响  65-67
    5.2.4 无机阴离子的影响  67-68
    5.2.5 甲醇的影响  68-70
  5.3 本章小结  70-71
结论  71-73
参考文献  73-82
攻读硕士学位期间发表的论文或获得的科研成果  82-83
致谢  83-84

半导体复合与贵金属修饰对Cu_2O光催化活性影响的研究

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