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光催化摩擦纳米发电机表面自清洁及铁电极化下的VOCs降解研究

光催化摩擦纳米发电机表面自清洁及铁电极化下的VOCs降解研究

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作者：刘辉上海师范大学

学位级别：硕士

半导体光催化是一种新型高级氧化技术（AOP）,它是以丰富且绿色的太阳光为驱动,通过光子吸收来激发禁带宽度合适的半导体,从而产生高能态自由电子和空穴,并与所衍生的活性自由基共同来诱发化学反应的发生。光催化技术可应用于有机污染... 详细信息

半导体光催化是一种新型高级氧化技术（AOP）,它是以丰富且绿色的太阳光为驱动,通过光子吸收来激发禁带宽度合适的半导体,从而产生高能态自由电子和空穴,并与所衍生的活性自由基共同来诱发化学反应的发生。光催化技术可应用于有机污染物矿化、重金属离子还原、新能源氢气或者液体燃料制备,因而光催化是一种具有潜力的解决日益严重的全球能源危机和环境问题,实现社会可持续发展的方案。目前光催化主要作为一种独立的技术被使用,与其他新型技术联用较少。我们将光催化技术集成到摩擦纳米发电机（TENG）的摩擦层表面,不仅使得光催化技术在清洁应用方面得到拓展,同时还赋予了TENG器件输出性能自恢复功能。另外,我们充分发掘了一类光催化材料的性质,提出耦合半导体的光激发性质和铁电性,将铁电半导体经过驻极化处理后降解挥发性有机化合物（VOCs）。本论文中,我们将主要从以下三个方面开展工作:1、将光催化技术的矿化功能集成到TENG的摩擦界面上,利用太阳光辐照经过光催化的过程来高效降解有机污染物的特点,开发了具有自清洁功能的TENG。通过将质量分数优化过的Ti O2纳米颗粒（NPs）光催化剂负载到PDMS聚合物海绵上,使得模拟污染物在紫外线照射下被降解,摩擦层表面得以自清洁。经过多次循环和不同模拟底物的测试,摩擦层表面的污染物去除效率仍保持在80%以上,而且表现出良好的普遍应用性。所提出的基于半导体光催化技术对聚合物表面自清洁作用的策略,不仅可以实现聚合物的表面“防御”,并且对于电子皮肤和可穿戴设备的功能开发和长久使用具有促进作用。2、研究自清洁功能对TENG器件的电气性能的影响。通过研究普通TENG受污染前后输出能力的变化,提出光催化自清洁功能恢复TENG器件能量输出策略。基于Ti O2 NPs负载量优化过的的介电层,当摩擦层上的有机污染物被光催化矿化后,TENG器件的能量输出从被污染后的显著下降恢复至最初水平的92%性能。另外在污染物降解后,TENG器件的输出性能具有良好的重复性。本部分工作在之前光催化聚合物表面自清洁的工作基础上,又实现了光催化略微提高TENG的能量输出,而且还有助于被污染器件的性能恢复。由于光催化材料和介电材料的选择多样性,我们认为该策略很容易扩展到其他领域,尤其是在自驱动纳米系统、电子皮肤和可穿戴设备领域。3、提出铁电性调控半导体表面能级、表面吸附和体相内载流子的运输,并将其应用于VOCs的矿化中。相对于原始的铁电半导体,经过极化处理的铁电相Pb Ti O3,其能级会发生更严重的倾斜,体相内的载流子分离率更高/迁移率更快,另外还表现出增强的极性甲苯气体分子吸附。通过设计半导体的能带和界面反应过程,有望实现高效的光催化VOCs的净化。

关键词：光催化铁电极化表面/界面自清洁 tengs

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