氧化亚铜基纳米复合结构的调控及其光催化性能研究

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:ggy353566
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半导体光催化材料因制备简单、环境相容性好而备受关注。氧化亚铜(Cu2O)作为一种典型的窄带隙(2.17 eV)半导体材料,具有可见光催化响应,制备成本较低,拥有丰富可调节的形貌并且可以大规模制备,因此具备较大的潜力应用于实际光催化领域。不过单一Cu2O材料具有低的载流子迁移率和光生电子-空穴分离率以及较差的稳定性。本论文中以Cu2O为载体,通过引入氮掺杂碳点(N-CDs)和Au纳米材料两种途径,设计了基于Cu2O的复合结构来增强其光催化性能和稳定性,获得的主要结果包括:(1)通过原位法大规模制备的N-CDs/Cu2O杂化立方结构,具有比纯Cu2O更高的可见光吸收强度和宽的可见光吸收范围,以及更强的可见光催化活性。除甲基橙外,N-CDs/Cu2O也对甲基蓝和罗丹明B表现出优于纯Cu2O的可见光催化性能,具有良好的普适性。N-CDs/Cu2O高光催化活性主要是由于N-CDs可以接收Cu2O上的光生电子使得Cu2O上的光生电子和空穴有效分离,并且N-CDs的存在可以加快Cu2O上载流子迁移率。另外,由于N-CDs的存在和Cu2O立方体载体本身良好的稳定性,N-CDs/Cu2O在光催化反应后表现出了很好的稳定性。(2)由于碳材料对Cu2O光催化性能提高程度有限,本论文首次提出利用具有强等离子体激元共振(SPR)效应的金纳米双锥(Au NBPs),制备了单晶-单晶接触的Au NBP@Cu2O核壳结构。相比纯Cu2O,Au NBP@Cu2O拥有了近红外光吸收,表现出更高的可见-近红外光催化活性(λ>400 nm)和近红外光催化活性(λ>700 nm)。Au NBP@Cu2O高光催化活性是由于Au NBP与Cu2O之间的单晶-单晶接触有利于载流子传输,而且Cu2O{100}面大的功函数使其与Au NBPs形成局部肖特基结使得Cu2O上电子-空穴有效分离。另外,Au NBPs近红外区的强SPR吸收产生大量热电子注入Cu2O{111}面可以加强其光催化效率。由于Au NBPs使得Cu2O壳中空穴相对减少,使得Au NBP@Cu2O具有比纯Cu2O更显著的强稳定性。(3)由于上述Au NBP@Cu2O具有实心核壳结构,Au NBP上的光生电子或空穴不能传递到壳外被利用,因此本论文在以上基础上,首次利用金纳米棒(Au NRs)和Au NBPs制备了中空核壳结构的Au NR@Cu2O和Au NBP@Cu2O。相比于纯Cu2O,Au NR@Cu2O表现出近红外光吸收响应和高的可见-近红外光催化活性(λ>400 nm)。另外,本论文证明纯Cu2O、金纳米颗粒Au NPs@Cu2O、Au NR@Cu2O以及Au NBP@Cu2O空心结构的光催化效率依次升高,表明了长条状的Au NRs和Au NBPs可以大幅度提高Cu2O光催化性能。Au NR@Cu2O具有高可见光催化活性在于Au NR@Cu2O具有大的比表面积能够获得大量活性位点,而且Au NRs的存在一方面能够获得Au NRs与Cu2O的欧姆接触,加快了载流子迁移率和光生电子-空穴分离,另一方面Au NRs可产生热电子和热空穴进一步增强Cu2O光催化反应。另外,由于Au NRs存在降低了Cu2O上的空穴积累,使得Au NR@Cu2O具有明显优于Cu2O的稳定性。综上,本论文提出的利用N-CDs和Au NBPs/Au NRs来制备N-CDs/Cu2O和Au NBP@Cu2O及Au NR@Cu2O的两种途径,是既能增强Cu2O的可见和近红外光催化活性又能够提高Cu2O的稳定性的有效手段,具备应用于实际光催化应用中的潜力,并能够对Cu2O复合光催化材料的研究具有一定的指导作用。
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