零维量子点二维纳米片复合材料的制备及其光催化、气敏性能研究

零维量子点/二维纳米片复合材料的制备及其光催化、气敏性能

研究

人类社会发展进程中所产生的水污染和空气污染不但制约了社会经济的可持续发展,而且严重威胁到人类的健康。在污染治理与监控方面,半导体光催化技术和气敏传感器由于其独特的优势得到了研究者的广泛关注。

一方面,利用半导体光催化技术可以将太阳能转化成化学能用于污染物的深度降解;另一方面,半导体气敏传感器能够检测和量化有毒、有害、易燃和易爆气体等用于环境污染的检测与监控。在半导体材料性能改进的方法中,利用零维量子点与二维纳米片复合形成异质结或同质结被证明是构筑高性能半导体材料最有效的方法之一。

因此,本论文合成了多种零维量子点/二维纳米片复合材料来构筑高效光催化剂、气敏传感器并对其机制进行了讨论。主要研究内容如下:1.合成了

TiO2QDs/TiO2纳米片同质结构复合材料,并对其光催化性能及机制进行研究。

通过同质结的构建,加快光生电子空穴的分离及转移的同时抑制了光生电子和空穴的复合,从而显著提升其光催化活性。其中TiO2QDs/TiO2-40同质结构复合材料在30 min内就可以将RhB全部降解,是TiO2纳米片降解速率的大约5倍。

2.合成了CQDs/TiO2纳米片异质结构复合材料,并对其可见光光催化活性及机理进行了研究。在自然光的照射下,复合材料表现出比TiO2纳米片更优异的光催化活性,即使在可见光下(λ≥420 nm)也能实现对RhB的降解。

这得益于CQDs既可以作为电子存储器,分离光生电子和空穴,还可以作为光敏化剂将长波长光转换为TiO2能够吸收的短波长光,从而提高复合材料的光催化活性。3.合成了TiO2QDs/g-C3N4纳米片异质结构复合材料,并对其在可见光下

对罗丹明B(RhB)的降解效率及光催化机制进行研究。

TiO2QDs与g-C3N4纳米片之间异质结的形成加快了光生电子空穴的分离及转移,显著提升了复合材料的光催化效率。负载3 wt%的TiO2QDs的

TiO2QDs/g-C3N4纳米片异质结构表现出最佳的光催化活性,对RhB的降解速率相对于g-C3N4纳米片的降解速率提高了3.4倍。

4.制备出了 SnO2QDs/Co3O4多孔纳米片异质结构复合材料,并对其气敏和

电催化性能及机制进行了探讨。研究结果发现复合材料中SnO2QDs与Co3O4多孔纳米片之间强的相互作用能够促进复合材料表面Co2+的产生,同时在表面产生

丰富的氧空位,加快了界面电荷的转移,增加了表面活性位点。

相对于Co3O4多孔纳米片及SnO2QDs,复合材料的气敏及电催化析氧性能都得到了极大的提高。5.制备出的SnO2QDs/rGO及SnO2QDs/GO异质结构复合材料中SnO2QDs与rGO及GO之间通过Sn-O-C键形成强的相互作用,并表现出远远优于SnO2QDs的气敏性能。

通过对有机挥发性气体响应性能的研究发现SnO2QDs/rGO异质结构复合材料具有优于SnO2QDs/GO异质结构复合材料的气敏性能。其中SnO2QDs/rGO(0.5 wt%)复合材料表现出最优异的气敏性能,既可以在室温下对甲醛具有很高的响应,也可以在220℃对乙醇具有很高的灵敏度且不受其他气体的干扰。