C掺杂SnO2材料的制备及光电催化性能研究

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二氧化锡(SnO2)是一种常规的N型半导体金属氧化物,晶体结构有四方、六方和斜方晶系,广泛用在电子元器件和传感器方面。由于SnO2的带隙较宽(Eg=3.6 e V、T=300 K),导致其在光电催化领域应用受限。因此,如何改性提高SnO2的光电催化效率和光电响应值,成为光催化领域重要课题之一。非金属掺杂可改善半导体材料的光电催化性能。文中以CH3NH3I作为掺杂碳源,Sn Cl2.2H2O为原料,DMF为溶剂,采用低温环保的溶剂热法制备C掺杂的SnO2材料。使用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)等手段对其结构、物相、表面形貌进行了表征分析。在模拟太阳光照射下研究C掺杂SnO2和SnO2的催化水分解、降解甲基橙和苯酚等性能。根据实验数据的分析,得到如下主要结论:(1)溶剂热法可以制备出C掺杂SnO2半导体材料。该材料由100nm左右的纳米颗粒组成。实验发现溶剂热法的反应温度、反应时间、反应溶剂对C掺杂SnO2光电流密度有较大的影响:溶剂热反应温度为150 oC时光电流密度最高(0.5013 m A/cm2),溶剂热的反应时间最适宜为15 h,DMF作为反应溶剂效果较好。这种C掺杂SnO2的制备工艺具有低温、节能、无污染的优点,对SnO2的合成有一定的借鉴意义。(2)XPS数据说明C元素替代SnO2晶格O导致材料中氧空位浓度增加;面扫EDS显示C掺杂SnO2中C的分布均匀,没有明显分层现象;XRD图谱中未出现Sn Cl2和CH3NH3I的衍射峰,说明在反应过程中反应物基本都转化成了目标产物;C掺杂SnO2化学性质稳定,其在光电催化前后XRD衍射峰与标准SnO2衍射峰基本吻合。材料的紫外可见吸收光谱显示C掺杂SnO2的吸收曲线发生明显红移,说明材料在可见光区域吸收增加。(3)C掺杂SnO2光电阳极在模拟太阳光照射下(AM 1.5G),光电流可以达到0.15 m A/cm2(0 V vs Ag/Ag Cl)。本实验所得C掺杂SnO2比直接氧化法制备的SnO2的光电流密度(<2×10-3 m A/cm2在0 V vs Ag/Ag Cl)高出2个数量级。(4)在模拟太阳光下甲基橙和苯酚的光催化降解研究中,发现C掺杂SnO2材料比纯SnO2粉末的降解速率提高了3倍。从光催化降解循环实验看出,C掺杂SnO2材料具有较好的循环和重复性。在光电催化水分解产氢中,实验结果表明C掺杂SnO2在模拟太阳光的照射下催化水分解产生氢气速率为7.08μmol/h?cm2。
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