基于WO3的复合半导体制备及可见光催化性能研究

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WO3是一种重要的N型半导体材料,具有特殊的物化性质,在光催化、气体传感、光致变色、电致变色和超导等领域具有广泛的研究价值。特别是在光催化领域,2.42.8 eV的窄带隙使WO3可以直接响应可见光,对太阳能具有高效的利用率,是一种具有广泛应用潜力的半导体光催化剂之一。研究表明,单相光催化剂一般存在一些难以克服的缺陷不利于光催化反应的进行,WO3因光生电荷复合率高和导带电势低等不足,其量子效率很低,制约着光催化效率。因此,如何提高电子-空穴对的分离效率和导带位置已成为当今WO3光催化领域的热点课题。近几年的探讨表明复合半导体光催化不仅可以调控能带,还能够利用能极差降低光生电荷的复合率,是一种行之有效的改性技术。本文以WO3为基础,研究WO3/MoS2和WO3/MoS2-rGO复合半导体的制备、形貌结构和光催化降解罗丹明B(Rh B)的活性,并对WO3/MoS2-rGO的光催化机制进行探讨。本文的详细工作和研究结果如下:(1)基于反应温度对半导体形貌结构的影响,采用水热合成法制备不同温度下的WO3单相半导体,通过对比形貌、晶相、紫外-可见光吸收和光催化降解RhB性能,探究WO3的生长过程并获得最佳水热温度。(2)基于WO3的最佳水热温度,采用两步水热法合成WO3/MoS2复合半导体,探究MoS2负载量和溶液的pH值对WO3/MoS2光催化活性的影响,结果表明MoS2的负载量应适量,MoS2的增加可以增加异质结数量,促进了电子-空穴对的分离,但过量的MoS2会阻碍催化剂与溶液的接触和减少光吸收量;在静电吸附和碱性条件的共同作用下,pH=6时催化剂的降解效率最好。(3)在WO3/MoS2的基础上,继续加入GO合成WO3/MoS2-rGO复合半导体,探究MoS2-rGO负载量、溶液的pH值和催化剂量对WO3/MoS2-rGO光催化活性的影响,结果与WO3/MoS2一致。基于MoS2-rGO最佳负载量和pH值,继续探究催化剂浓度对降解率的影响,结果显示在一定的浓度范围内,降解效率随催化剂浓度的增加而提高,且与其他半导体的比较表明该催化剂具有良好的催化性能。(4)为了验证MoS2和rGO对光催化效率的作用,对比了MoS2、WO3、WO3/MoS2和WO3/MoS2-rGO的光催化性能,效率依次为MoS2<WO3<WO3/MoS2<WO3/MoS2-rGO,验证了加入MoS2构成的异质结有利于光生电荷的分离,rGO的高传导率使界面电荷转移更顺利,提高了WO3的光催化活性。(5)对WO3/MoS2-rGO复合半导体的催化机制做了初步探讨。根据典型的电荷转移方式,我们提出了两种光催化机理,即典型的II型异质结和Z型系统。能带分布和活性物种捕获剂实验结果表明,典型的II型异质结系统的不合理性,并验证了WO3/MoS2-rGO的光催化机理符合Z型系统。
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