WS2/TiO2纳米复合材料制备及光生载流子输运特性研究

作     者：李珺煜 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：欧阳晓平;王媛

授予年度：2019年

学科分类：081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0703[理学-化学] 

主      题：WS2/TiO2纳米复合材料 光催化反应 异质结 缺陷态 载流子动态 

摘      要：环境污染问题的解决刻不容缓,而半导体光催化技术是一种不引入二次污染、操作简单和反应条件温和的治污手段。TiO是目前为止最常用的一种光催化材料,但其较宽的带隙和偏低的量子效率导致纯相TiO的光催化效率并不高。研究人员发现,构筑TiO基纳米复合材料是提升TiO光催化剂的太阳光利用率和光催化效率的有效途径。作为一种新型二维材料,WS纳米片较大的比表面积将提供更多的吸附和反应位点;其较窄的带隙可以大幅拓展光催化剂的光吸收范围;WS良好的电导率可大力提升催化剂内部光生载流子的输运能力;更重要的是,由于能带结构的匹配,WS/TiO半导体异质结的形成可有效抑制其光生载流子的二次复合,使更多的光生载流子参与光催化反应,因此可大力提升材料的光催化效率。目前为止,关于纳米复合材料制备和光催化性能提升方面已经有大量研究,但异质结内部光生电子和空穴的复杂动力学过程却尚未真正阐明,特别是异质结界面处的缺陷态对载流子弛豫过程、捕获过程、转移过程和复合过程的影响根本未见报道。因此,本论文主要通过构筑结构可控的WS/TiO纳米复合材料研究其内部载流子输运动力学过程。主要内容如下:(1)本研究进行了WS/TiO纳米复合材料结构控制探索实验,研究了水热法合成WS/TiO纳米复合材料过程中生长条件对纳米复合材料的结构和形貌的影响。然后通过控制生长条件,成功地制备出了微结构可控的WS/TiO纳米复合材料。(2)研究了WS/TiO纳米复合材料在可见和紫外光下的光催化性能,结果发现在不同光照条件下WS/TiO纳米复合材料光催化性能随WS含量的增加均有先增加后减小的趋势。不同的是,在紫外光下,较少量(≤3%wt)WS的引入可使复合材料光催化性能得到提升,且当WS的量为0.5%时复合材料呈现出最优异的紫外光催化性能。而在可见光下,当WS的量为5%时复合材料才呈现出最优异的可见光催化性能。(3)以紫外光催化性能最佳的TW0.5、可见光催化性能最佳的TW5为典型代表,以纯TiO和纯WS为参照,对其进行缺陷态表征、稳态和瞬态发光光谱等测试,进一步探索纳米异质结内部载流子的输运、光生电子空穴对的分离以及复合和载流子寿命等情况,研究异质结在不同光照环境下载流子输运过程和光催化机理。结果发现,异质结界面处存在大量的氧缺陷,该缺陷态的存在使得不同光环境下异质结界面处的光生电子空穴对的迁移、捕获和二次复合过程大不相同,因此其光催化性能也大不相同。在紫外光下,TiO上产生的空穴和WS上产生的电子均会涌向异质结界面,缺陷态会大量捕获电子和空穴,因此增加其二次复合几率,该情况下缺陷态充当的角色是新的复合中心,很不利于光催化性能提升;而在可见光下,由于TiO不能被可见光激发产生电子空穴对,因此,异质结界面处仅有WS产生的电子会涌入,这时缺陷态捕获的电子并不会发生二次复合,进而能有效抑制WS上光生电子空穴对的二次复合,且瞬态光谱研究发现缺陷态对电子的捕获可使得载流子寿命相比纯TiO和WS有所延长,进而载流子有足够的时间以“等待参与光催化反应,因此光催化性能可得到大幅提升。