压电极化增强钙钛矿氧化物半导体光催化性能及机理研究

作     者：张立璇 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘少敏

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 081705[工学-工业催化] 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] 0703[理学-化学] 

主      题：纳米复合材料 动态压电电场 环境能量 压电光催化 

摘      要：LaFeO钙钛矿氧化物半导体具有易合成、制作成本低、无污染等特点,在有机物光催化降解、器件制造等领域应用较为广泛。但是由于其光生载流子分离效率低下导致不够理想的光催化特性,严重影响了其后续应用。因而发展可调控LaFeO中载流子传输特性的技术具有重要意义。压电材料中由机械振动产生的压电极化场是调控光生载流子分离和转移行为的一种很有前景的技术。但实现压电极化与半导体性能耦合的关键在于设计具有压电-光电子效应的多功能催化剂。其中可行性最高的一种策略是制备复合催化剂,即将单独的压电体与半导体结合起来。鉴于此,本研究提出通过过量掺杂诱导压电相原位析出进而实现自组装的压电相/半导体相催化剂,实现高效的光生载流子分离效率和催化效率。首先,由一步固相反应法合成了标准化学计量比的LaFeO,研究了水流运动方式、超声功率、超声频率等条件对其压电光催化活性的影响,优化了压电光催化的反应条件。淬灭实验及曝气实验表明,压电光催化制得HO的反应机理为氧气还原路径。探究了压电增强光催化的机理,即压电场的存在会使得材料内部光生载流子的运输得到明显提高。其次,通过在合成的标准化学计量比的LaFeO基础上引入过量的Zn掺杂剂。在控制的固态反应过程中,压电尖晶石Zn FeO和LaO相与半导体相(钙钛矿LaFeO)一起原位析出,从而形成超细LaFeO/Zn FeO/LaO复合材料,各相之间紧密接触。动态压电电场由超声来引发。优化后的复合材料具有高达826 pm V的压电系数(d)和高达401μmol g h的HO产率(在常温常压环境和纯水中),优于大多数报道的无铅压电光催化剂的性能。经过多次循环测试,超紧凑复合材料非常坚固,HO生产能力没有任何衰减。本研究为合理设计高性能压电光催化剂提供了一种通用策略。由于形成超细LaFeO/Zn FeO/LaO复合材料,每个相之间具有晶间接触。得益于此,压电势场可以很容易地穿透半导体晶体,有效促进了空间电荷分离和迁移,同时抑制了电子空穴的快速复合,因此在表面产生更多的活性电荷来参与反应。该复合材料在常温常压环境和纯水条件下通过压电光催化获得了较高的HO和ROS产量。机理研究表明,HO的产生途径是通过两电子转移途径进行有效的氧气还原反应。