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半导体光催化技术能够将太阳能转换为电能或者化学能,并且有着对环境友好的特点,是解决能源危机和环境污染的有效手段之一。然而光催化材料本身较低的载流子分离效率和较差的电荷传输性能等缺点限制了其在实际中的开发与应用。为了解决这一问题,人们已经通过元素掺杂、贵金属负载、纳米结构的制备以及半导体复合等多种手段来改善光催化材料的活性。近年的研究表明,利用两种半导体之间的能带匹配性,合理地构建异质结光催化剂,可以增强光生载流子的分离效率和传输性能,光催化性能能够得到较大的提升。在本论文中,我们制备了多种二维材料/氧化物半导体异质结光催化剂,利用多孔、光子晶体结构以及二维材料光学性质,拓展复合体系的光吸收能力,同时通过异质结和铁电性能来增强复合光催化剂光生载流子的分离效率和传输性能,以达到改善光催化剂活性的目的。具体来说,我们主要开展了以下四个工作:(1)在FTO玻璃表面通过模板法制备了 TiO2纳米孔阵列结构的光电极,然后将浓硫酸切割的MoS2纳米片通过滴涂法负载于半导体光电极表面,研究不同样品的光电化学性能。研究结果表明MoS2的负载不仅能够增强光电极样品对可见光的吸收效率,而且MoS2与TiO2之间形成的异质结能够有效地促进电子从MoS2导带转移至TiO2导带、空穴从TiO2的价带转移至MoS2的价带,从而实现光生载流子的高效分离与传输,提升光电极样品的光电化学性能。此相关工作已经发表于Journalof Physical Chemistry C,2018,122(27),15055-15062。(2)通过自组装方法在FTO玻璃表面沉积PS微球模板,然后浸渍提拉制备三维有序反蛋白石结构的BiVO4光子晶体,最后通过水热法生长制备MoS2/BiVO4光子晶体复合光电极。该复合光电极拥有3个优势:一是BiVC4光子晶体结构拥有高比表面积、多重散射以及慢光效应等优点,增强样品的光吸收和缩短空穴的迁移距离,降低载流子的复合率,增强光电极对电荷的收集能力;二是复合MoS2能够进一步增强样品对可见光的吸收;三是MoS2与BiVO4之间的异质结有利于载流子的分离效率的提高,降低样品中载流子的复合,提高载流子的利用率。复合体系的光电流密度得到了大幅度的增加。此相关工作已经发表于Applied Physics Letters,2018,112(17),173902。(3)通过热聚合法与溶胶凝胶法分别制备了 g-C3N4和BiVO4粉末,然后搅拌研磨制备g-C3N4/BiVO4复合异质结光催化剂样品,研究了不同质量比复合样品的光催化降解罗丹明B(RhB)的效果。g-C3N4由于高比表面积的存在,能够提供更多的活性位点,降解效果要比纯BiVO4的好。当g-C3N4与BiVO4复合形成异质结时,样品的光催化降解能力会得到进一步的提升,这主要是由于两种半导体复合形成异质结能够有效地促进载流子的高效分离和传输,提升载流子的利用率,达到增强样品光催化降解RhB的效果。(4)通过溶胶凝胶法制备了BiFeO3纳米颗粒,并将其与g-C3N4按照一定质量比混合搅拌,然后通过刮涂法制备g-C3N4/BiFeO3复合异质结粉末光电极样品。在复合样品中出现光电流密度增加的现象,这归因于BiFeO3与g-C3N4之间形成的p-n结,能够增加载流子的分离效率,进而提升粉末光电极的光电化学性能。在此基础上,我们还发现铁电极化方向的不同对复合体系光电化学性能也有明显的影响。