Sn（O,S）基半导体材料价态调控及光催化性能研究

作     者：李岚刚 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：夏炜炜;李浩

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：四氧化三锡 二硫化锡 价态调控 硫空位 析氢 二氧化碳分解 

摘      要：随着工业的迅猛发展和科技的不断进步,我们的生活变得更加便捷和舒适,但同时也面临着能源短缺和环境污染等严重问题。传统的不可再生能源如天然气、石油和煤炭等大量使用已经对全球气候变暖和海平面上升等问题产生了负面影响。为了有效解决这些问题,科学家们开始研究可再生能源,如太阳能、风能和潮汐能等。光电催化是一种将太阳能转化为化学能的有效方法,而在光电催化过程中,光阳极材料的选择尤为重要,因为自然光中可被有效利用的可见光占比仅为43%。半导体光催化剂需要具有合适的带隙宽度、良好的光吸收效率和合理的电子-空穴对分离效率。科学家们发现,锡基化合物具有独特的物理和化学特性,因此被广泛研究。其中,Sn3O4是一种具有多价态的化合物,带隙窄,对可见光有良好的响应。此外,由于其特殊的晶体结构,在光催化反应中展现出独特的性质。另一方面,SnS2是一种可见光响应的N型半导体,具有良好的光电性能和稳定性。因此,锡基化合物在光电催化领域中具有广阔的应用前景。在本文中,我们成功制备混合价态的Sn3O4和SnS2纳米片,并且进行了详细的物理表征、光电化学测试、光催化性能以及罗丹明降解实验。这些研究结果不仅有助于深入理解锡基化合物的物理和化学特性,还为其在光电催化领域的应用提供了重要的参考。(1)设计具有独特形态和适当能带结构的纳米结构光电极是潜在光电化学应用的关键步骤。为此,采用制备了具有独特形貌和合适能带结构的Sn3O4纳米粉末,并将其自组装到碳纸上,合成了平滑表面的致密Sn3O4纳米片。SEM、TEM和HRTEM的形貌表征显示,样品为纳米片包裹形成的纳米球,每个纳米片的直径约为400nm,厚度约为10nm。XRD、Raman和XPS的物相表征表明,合成的样品为Sn3O4材料,发现在后续的H2O2辅助水热处理中,可以调控Sn3O4纳米片中Sn2+和Sn4+离子的摩尔比。系统研究了不同摩尔比对能带的影响,以及纳米片表面形貌的演化。通过H2O2辅助水热法制备的Sn3O4纳米片高效光电极,该光电极具有较大的有效表面积和适当的能带结构,因此表现出优异的光电流响应和光催化性能。(2)使用H2O2改性水热法合成的Sn3O4纳米片,在电化学和光催化测试中表现出优异的性能。基于Sn3O4纳米片的光电极经H2O2辅助水热处理制备,表现出40 μA·cm-2的增强光电流和1.43 ×104 μmol·h-1·g-1的更高H2产率,远优于原始样品。这种卓越的性能可能归因于独特的多孔纳米片结构、更高的活性表面积和适当的能带结构的综合作用。(3)合成了具有纳米片状微结构和不同硫空位(SVs)浓度的SnS2。前体中的锡阳离子价态与SnS2纳米片中的SVs浓度密切相关。使用含有不饱和锡离子的锡盐前体(SnCl2·2H2O)制备的SnS2纳米片有利于产生SVs。充足的SVs可带来许多优点,如更小的能隙、更大的电化学活性表面积(ECSA)、提高光生电荷载体的吸收和分离效率,从而导致对RhB和CO2的光催化活性优于其他样品。硫空位更多的SnS2对RhB降解表现出更好的光催化活性,降解速率为1.02×10-2min-1,对CO2还原的平均CO产率为2.44 μmol·g-1·h-1。以上结果不仅揭示了缺陷工程的重要性,而且为开发有效的金属硫化物光催化剂降解有机污染物和CO2还原提供了有价值的指导。