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摘要随着全球环境污染问题的日益加剧，对光催化技术的发展及新型光催化材料的研究已成为材料科学的重要的任务。具有可见光响应的新型光催化材料由于具有宽光响应范围、转化效率高的特点，受到了广泛的关注与研究。 CdS 是一种重要的 Ⅱ - Ⅵ 族半导体，室温下具有 2.4 eV 禁带宽度使之能在可见光波段响应。通过调节反应条件，可以控制粒子尺寸分布，并且 CdS 以其独特的能带结构，使之能够和大多数半导体形成异质结，实现光生电子 - 空穴对的分离 ， 极大地提高光催化效率 。 本课题通过控制反应条件 ， 用低温水热法合成分散性良好的 CdS 纳米微球 ， 并运用原位生长法 ， 在 BiVO 4 表面形成 CdS/BiVO 4异质结，通过 X 射线衍射仪，扫描电子显微镜，紫外可见吸收光谱等设备对其进行表征与性能测试。通过光催化降解有色染料对其光催化性能进行研究。28168
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毕业论文关键词 低温水热合成 CdS BiVO 4
Title Title Nanostructured CdS-BiVO 4 Heterostructural Composites :Fabrication, Characterizations and Photocatalytic ActivityAbstract Abstract Abstract AbstractAlong with the global environmental pollution, the research and development ofphotocatalytic oxidation technology and photocatalytic material has become animportant task in material science. CdS is an important II-VI semiconductor with2.4 eV band gap at room temperature, which can response in the visible light range.By adjusting the reaction conditions, the particle size distribution can becontrolled. With its unique band structure, CdS can form heterojunctions with mostof the other semiconductors, promoting the separation of the photogeneratedelectron-hole pair, which greatly improves the photocatalytic efficiency. Herein,by controlling the reaction conditions, CdS nanoparticles were well dispersed inlow temperature hydrothermal synthesis method. Then CdS/BiVO 4 heterojunction wasformed on the surface of BiVO 4 using the in situ growth method. By means of X raydiffraction, scanning electron microscopy, UV visible absorption spectroscopy andother equipments for characterization. The photocatalytic performance was studiedby the photocatalytic degradation of colored dyes.Key words hydrothermal synthesis method CdS BiVO 4
目 次
1 引言 1
1.1 光催化研究背景 1
1.2 半导体光催化原理 1
1.3 异质结光催化原理 2
1.4 硫化镉与纳米硫化镉 3
1.5 钒酸铋 4
1.6 本课题主要研究内容 4
2 CdS/BiVO 4 光催化剂的制备 6
2.1 实验原料与实验仪器 6
2.2 水热法制备纳米材料 7
2.3 实验制备过程 8
3 样品表征 10
3.1 XRD 衍射分析 10
3.2 扫描电子显微镜 10
3.3 紫外 - 可见吸收光谱分析 10
3.4 光催化活性测试过程 11
4 CdS/BiVO 4 光催化剂结构与性能分析 13
4.1 样品 XRD 分析 13
4.2 形貌分析 13
4.3 紫外 - 可见光谱分析 15
4. 4 光催化活性测试 16
4.5 CdS/BiVO 4 异质结光催化剂降解机理 18
结论 20
致谢 2 1
参考文献 22
1 1 1 1 引言引言引言引言随着人类社会的科技水平飞速发展，人们的生活水平也在不断的提高，但是这发展的过程中也伴随着许多大大小小的环境污染的问题。如果这些环境问题不能及时有效的解决，那么将会对人类社会的生存环境产生巨大的威胁。因此解决环境问题迫在眉睫，这也驱动着大量的科学家们投身于环境污染解决的事业中。光催化技术具有成本不高、催化效果优良、环境影响小的特征，受到了极大的关注，也有希望成为未来解决环境问题的一大高新技术。在此背景下，大量的关于光催化研究的成果被发表，科学家们也制备得到了许多性能优良的光催化材料，并大量的用于生产实践中。本文即研究光催化材料中的具有可见光响应的新型光催化材料 CdS 纳米粉末及其与 BiVO 4 复合生成的半导体异质结光催化材料的结构性能等表征。1.1 1.1 1.1 1.1 光催化研究背景 光催化研究背景 光催化研究背景 光催化研究背景光催化材料是指通过该材料，在有光线照射的的条件下使某些物质发生光化学反应所需的一类半导体催化剂材料，迄今为止科学家们已研究制备得到多种光催化材料。 1972 年 ， 日本东京大学的 Fujishima 和 Honda[1]研究发现 ， 利用 n 型半导体 TiO 2 单晶作为电极 ， 在有光照射的条件下，发生了水的催化分解现象，这一实验结果标志着光电现象应用于水的分解制备氢气以及环境污染净化技术的开始。自此之后，许多科学家投身至光催化领域，大量的关于光催化技术和光催化材料的研究层出不穷。经过几十年孜孜不倦、前仆后继的发展，光催化技术在理论研究和实践应用方面都取得了重大的进展 [2-3]。 传统的光催化材料仅具有紫外光响应，其光响应范围较窄，因而光转化效率较低。主要的传统光催化材料有金属氧化物 TiO 2 、SrTiO 3 等 ， 金属硫化物 ZnS [4]等 。 近些年来研究的新型光催化材料由于具有可见光响应的特点 ，能吸收可见光波段的光线，因此能够更有效地利用太阳能。现阶段的新型光催化材料主要可以通过两种方式来获得：第一种方法是通过对紫外光响应型的光催化材料进行改性，改变其导带、价带的位置以获得可见光响应；第二种方法是通过材料设计的方法设计和开发新型光催化材料 [ 5 ]。 对紫外光响应型的光催化材料进行改性可以通过以下的方式 ： 掺杂改性 ， 如以 B 、C 、 S 、 P 等掺杂 TiO 2 可以诱发 TiO 2 可见光响应；复合半导体，主要包括固溶体和异质结 如WO 3 /Fe 2 O 3[6]异质结 ； 光敏化 ， 利用具有可见光响应的有机染料如 Ru （ bpy ） 32+以物理或者化学吸附方式与半导体氧化物相互作用，形成有机 - 半导体复合光催化材料 [7]。1.2 1.2 1.2 1.2 半导体光催化原理 半导体光催化原理 半导体光催化原理 半导体光催化原理对于光催化剂的催化原理，我们在这里可以利用半导体能带的原理 [8]来进行解释。由半导体基础理论知识，我们知道半导体的能带包括导带和价带，导带和价带之间的距离便是决定其光响应范围的禁带宽度 Eg 。 当半导体受光照射时 ， 若入射光的能量达到大于或者等于其禁带宽度 Eg 时 ， 原先处于价带上的电子便会吸收能量 ， 从而激发到导带上 ， 同时在价带上电子原所在位置生成一个空穴，形成电子 - 空穴对。 即光催化反应的原理图。
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