隨著光催化技術的發展,大量的化合物半導體被用作光催化材料,然而廣泛的研究表明化合物半導體禁帶寬度過大、光穩定差、光量子效率低等缺點嚴重限制了其自身的發展。為克服多元光催化材料的缺點,大多數研究者往往采用摻雜、復合等方法以調節光催化材料的能帶結構,加強材料對可見光的吸收,提高光生載流子的分離效率及材料的光穩定性。然而,單質類光催化材料的出現極大的豐富了目前光催化材料的種類和內涵,其簡單的組成和優良的光催化性能使之迅速成為當前光催化研究領域的熱點。鑒于此,本論文將開展針對單質類光催化材料的制備、光催化性能以及光催化機理的探索性研究結合不同單質材料的XRD、SEM、TEM、UV-Vis DRS、XPS等表征測試數據和光電測試結果,考察單質薄膜材料晶型、組成、形貌、厚度等對材料光催化性能的影響。主要研究成果如下：1、利用電化學沉積方法成功制備出了非晶態單質硒薄膜,隨沉積時間增加會引起薄膜表面形貌發生變化,膜厚對硒薄膜的吸光范圍有所影響,且電流時間曲線測試表明膜厚是影響薄膜光電催化性能的重要因素,沉積2小時所得硒薄膜具有最佳的光電催化性能。電化學測試結果表明實驗所獲硒薄膜為n型半導體,具有較好的可見光吸收性能,可見光下能有效的降解亞甲基藍。單質硒薄膜的光催化機理與傳統半導體化合物光催化劑類似,實現染料的光催化降解。2、利用電沉積法成功制備出了具有半金屬性質的單質Bi光催化材料。光電及ESR測試表明金屬性的單質Bi在光照下能明確的產生光生載流子,氧化OH-產生羥基自由基。單質鉍薄膜表面存在非晶氧化層,除去該層氧化物后鉍薄膜的光電流強度提高到原來的4.4倍,說明Bi薄膜的光催化活性源自半金屬性的單質Bi。發現電沉積鉍薄膜能有效的光氧化降解NO,并有穩定的光催化性能,具備表面等離子體共振和帶間躍遷兩種光吸收途徑。通過對半金屬鉍的能帶結構分析,提出了深層價帶能級和導帶能級參與的金屬光催化反應機理。利用磁控濺射法制備出了具備半金屬性質的單質鉍薄膜。發現濺射制備的Bi薄膜隨膜厚的增加其紫外可見光吸收曲線表現出近似帶邊吸收的光吸收特性,發現鉍薄膜的吸光特征與鉍薄膜各向異性的光響應有緊密關系,發現調節鉍薄膜的a/b軸比率分布情況可增強鉍薄膜的表面等離子體吸光性能。解釋了最終光氧化產物為NO2的原因,并提出了NO在濺射鉍薄膜上的光氧化降解機理。3、利用電沉積法制備了單質Sn薄膜。與Bi薄膜類似,Sn薄膜表面也存在一層尺寸在納米范圍的非晶氧化層,且光照會導致氧化膜膜厚和晶化程度的增加。實驗結果表明Sn薄膜存在帶間躍遷和等離子體共振兩種光吸收方式,其中前者由表面氧化層中存在的Sn02和SnO的帶隙吸收引起,而后者則是由表面氧化層覆蓋下金屬Sn顆粒的表面等離子體共振吸收引起的。光電實驗表明表面氧化膜的厚度或晶型是影響光電流大小的關鍵因素。光電實驗還證明沉積Sn薄膜可以在電輔助條件下光解水產氫。金屬Sn顆粒與表面氧化層的功函數的差異,引起Sn02和SnO能帶向上發生彎曲,結果導致氧化物的導帶電位明顯負移,產生了催化氫還原的能力。本論文以單質類光催化材料(Se、Bi、Sn)為研究對象,研究其光催化行為,以光電性能和催化活性為研究重點,探究三種材料的催化機理,本論文采用電化學沉積技術和磁控濺射沉積技術制備硒(Se)、鉍(Bi)、錫(Sn)單質光催化薄膜材料。通過改變電化學沉積和濺射沉積參數來獲得具有不同形貌、組成顆粒尺寸及厚度的單質薄膜材料。利用電化學測試手段考察不同光照條件下各單質薄膜材料的光電響應曲線,獲得相應的光電催化性能。針對不同單質薄膜材料,分別采用染料降解、氮氧化物氧化以及光解水制氫等手段考察材料的光催化活性。

標簽：催化方法研究