TiO2光生载流子迁移过程的功效应及在光催化中的应用

论文摘要

TiO2光催化技术具有重要的应用前景，是国际上广泛研究的课题。鉴于大多数文献主要从化学合成的角度研究光催化过程，本文从TiO2光生载流子迁移过程功效应的角度对TiO2光催化过程作了研究，Fermi能级劈裂|Fn-Fp|和载流子迁移在光催化中起了重要作用，并通过实验验证了|Fn-Fp|的重要性，提出了几种在光催化中提高|Fn-Fp|和外回路的方法，将为提高TiO2光催化效率提供有益的新方法。针对TiO2表面电子结构的重要性，用荧光光谱研究了TiO2的表面电子结构和电荷迁移过程。说明可以通过发射光谱的不同研究晶粒大小、光辐射、pH、Ag+、甲基橙（MO）和甲基蓝（MB）吸附对表面态的影响，可以明确地表征光生载流子表面迁移过程，而这些迁移过程对体现功效应很为关键。荧光光谱研究表明TiO2的表面态起着两种不同作用，一为表面复合中心，二为光催化反应活性中心。以光生载流子表面态的迁移为基础，提出了光电导率法计算|Fn-Fp|和光催化反应速率常数的方法，并用于光催化机理研究。式（3.39）中n和Kconst是光催化过程中与TiO2、TiO2界面和被催化物质相关的两个重要参数，其中用n可以确定光催化反应的动力学特征，Kcons反映TiO2光生电子空穴的界面迁移特性，可以用来研究光催化机理。通过光电导率计算的|Fn-Fp|值和光催化反应速率常数有很好的对应关系，说明|Fn-Fp|是一个TiO2光催化过程中重要的热力学和动力学参数，结果表明TiO2光催化过程不仅涉及许多化学问题，而且包含了许多物理因素。通过在TiO2中掺入N、V来调节TiO2的带隙宽度，研究了不同带隙和复合反应速率常数kf对|Fn-Fp|调控及同光催化效率的关系，同时也对N、V掺杂TiO2的结构进行了分析。还研究了入射光强、|Fn-Fp|和光催化效率的关系作了研究，实验结果佐证了|Fn-Fp|是光催化过程非常重要的特征参数。以TiO2导带丰富亚结构为基础的双光子过程是一种在TiO2光催化中利用可见光的方法，这是一种不同于掺杂的新方法。初步研究表明，TiO2薄膜的双光子过程可以提高液相光催化活性大约21％，而粉体的双光子催化过程可提高气相光催化效率大约24％。机理分析表明TiO2在紫外光吸收跃迁下产生的位于t2g*光生电子的d-d跃迁在该过程中起了重要的作用。对溅射法制备TiO2薄膜在开路、短路和正置偏压下的液相光催化过程进行了研究。相对于开路催化过程，短路和正置偏压情况下能很大程度提

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第1章绪论

1.1 半导体光催化作用原理

1.1.1 光吸收过程

1.1.2 光生电子和空穴的俘获过程

1.1.3 光催化过程的量子效率

2系光催化剂的应用'>1.2 TiO₂系光催化剂的应用

1.2.1 有机污染物的处理

1.2.2 无机污染物的处理

1.2.3 太阳能转化和利用

1.3 光催化研究现状

1.3.1 使用不同的掺杂方法

1.3.2 材料表面改性

2的形成和催化过程'>1.3.3 用外部条件来控制TiO₂的形成和催化过程

1.3.4 使用异质结形态的光催化剂

1.3.5 使用染料敏化的可见光诱导方式

1.3.6 使用其他的光催化剂来利用可见光

2薄膜的制备方法简介'>1.4 TiO₂薄膜的制备方法简介

1.4.1 溶液法

1.4.2 溅射法

1.5 磁控溅射法制备自洁净玻璃的应用前景

1.6 光催化研究中存在的问题

1.7 选题的目的和意义

2光生载流子输运过程和功效应分析'>第2章 TiO₂光生载流子输运过程和功效应分析

2光生载流子的功效应'>2.1 TiO₂光生载流子的功效应

2光催化过程的能量转化过程'>2.1.1 TiO₂光催化过程的能量转化过程

2等宽带半导体的光生载流子的产生'>2.1.2 TiO₂等宽带半导体的光生载流子的产生

2存在的形态以及其复合过程'>2.1.3 光生载流子在TiO₂存在的形态以及其复合过程

2光生载流子的“外回路”和功效应'>2.2 TiO₂光生载流子的“外回路”和功效应

n-F_p|的数值的影响'>2.2.1 入射光强对于|F_n-F_p|的数值的影响

n-F_p|数值的影响'>2.2.2 材料带隙对|F_n-F_p|数值的影响

f对|F_n-F_p|数值的影响'>2.2.3 复合反应速率常数k_f对|F_n-F_p|数值的影响

2光催化的更深一步分析'>2.3 基于TiO₂光催化的更深一步分析

2.4 小结

2表面电子结构及光生载流子表面输运／迁移过程的研究'>第3章 TiO₂表面电子结构及光生载流子表面输运／迁移过程的研究

3.1 实验部分

3.2 结果和讨论

3.2.1 XRD、TEM和Raman分析

3.2.2 吸收光谱

3.2.3 室温下的荧光光谱

3.3 小结

2薄膜光电导率、|F_n-F_p|和光催化效率之间关系'>第4章 TiO₂薄膜光电导率、|F_n-F_p|和光催化效率之间关系

2薄膜光电导的测量及其与|F_n-F_p|的关系'>4.1 TiO₂薄膜光电导的测量及其与|F_n-F_p|的关系

4.2 光电导和光催化效率之间的关系

4.2.1 实验部分

4.2.2 实验结果

4.3 分析和讨论

4.4 小结

第5 章光生载流子的功效应同光催化效果的关系

2薄膜结构和光催化过程的研究'>5.1 N掺杂TiO₂薄膜结构和光催化过程的研究

5.1.1 实验部分

5.1.2 实验结果

5.1.3 讨论与分析

2的结构及其光催化效应研究'>5.2 V掺杂TiO₂的结构及其光催化效应研究

5.2.1 实验部分

5.2.2 实验结果

5.2.3 讨论和分析

2在光催化过程中的不同之处'>5.3 N和V掺杂TiO₂在光催化过程中的不同之处

5.4 光学强度的变化同光催化性能的关系

5.4.1 实验部分

5.4.2 实验结果

5.4.3 分析和讨论

5.5 小结

2的双光束诱导光催化现象的研究'>第6章 TiO₂的双光束诱导光催化现象的研究

2薄膜的可见光吸收与d-d跃迁过程'>6.1 纯TiO₂薄膜的可见光吸收与d-d跃迁过程

6.1.1 实验部分

6.1.2 实验结果

6.1.3 讨论和分析

6.2 双光束诱导光催化过程

6.2.1 实验部分

6.2.2 实验结果

6.2.3 讨论和分析

6.3 双光束诱导在气相光催化中的应用

6.3.1 实验部分

6.3.2 实验结果

6.4 小结

第7章开路／短路和外加偏压影响下的光催化过程

2开路与短路情形下光催化过程的研究'>7.1 TiO₂开路与短路情形下光催化过程的研究

7.1.1 实验部分

7.1.2 实验结果

7.2 外加偏压对光催化的影响

7.2.1 实验装置

7.2.2 实验结果

7.3 分析与讨论

7.3.1 开路光催化研究

7.3.2 短路光催化研究

7.3.3 外加偏压情形

7.4 小结

2复合半导体异质结的光催化过程研究'>第8章 TiO₂复合半导体异质结的光催化过程研究

2-CeO₂复合半导体材料的光催化过程研究'>8.1 TiO₂-CeO₂复合半导体材料的光催化过程研究

8.1.1 实验部分

8.1.2 实验结果

8.1.3 分析和讨论

8.1.4 光生载流子的迁移过程

2薄膜异质结的光催化过程研究'>8.2 Si／TiO₂薄膜异质结的光催化过程研究

8.2.1 实验部分

8.2.2 实验结果

2薄膜异质结的载流子迁移过程'>8.2.3 Si／TiO₂薄膜异质结的载流子迁移过程

8.3 小结

第9章结论

参考文献

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致谢

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