实现定向载流子分离的硅纳米线阵列光催化薄膜的设计及其对CO2还原的应用研究

当前，大气中CO2含量的不断升高严重威胁生态平衡和人类的发展，Si可大量利用太阳光中的可见光，在光还原CO2和降解有机污染物方面具有明显的应用前景。但其较窄的禁带宽度导致了光生电子-空穴极易发生复合进而影响光电转换效率。本项目为拓宽光吸收范围及增强光生载流子的寿命，构筑了Si纳米线及Si纳米颗粒的导质结，并拓展到其它异质结体系如TiO2/石墨烯、TiO2/Ag、TiO2/Cu2O、BiBrO/石墨烯、I-BiOClBr等。研究了异质结界面结构和元素掺杂对光还原CO2及光催化降解的影响规律，主要研究内容及结果如下：(1) 以单晶硅片为基体，化学腐蚀制备得到Si纳米线，其对入射光的吸收率随波长增大而增大，表明纳米化使得体硅的光学性能得到改善，光收能力有了很大提高。而且腐蚀液中H2O2浓度决定Si纳米线密度及直径进而影响光催化性能；(2) 采用AAO模板掩模技术，刻蚀得到垂直硅纳米线阵列，发现金膜厚度影响Au/Si肖特基势垒的高度，进而决定空穴向Si的注入；(3) 在TiO2纳米管阵列中电沉积制备了Si纳米线，Si/TiO2异质结的构建增强了光吸收性能并提高了电子-空穴的分离能力，光降解RhB的效率比TiO2提高了约9.1%；采用CVD法在TiO2纳米管阵列膜表面沉积得到Si膜/TiO2复合结构，并应用于CO2的光催化还原，光还原2 h检测到甲醛和甲酸，TOC为29.5 ppm，复合结构在循环5次后仍可保持91.6%的催化活性；(4) 采用Mg热还原法制备得到Ti3+掺杂的Si@TiO2复合材料，由于异质结界面的构建及离子掺杂，有效分离了载流子，提高了载流子浓度和光利用率，可将CO2转化为CH4，效率为0.142 umol/(g*h)，其光降解性能是纯TiO2的6.74倍；(5) 采用沉淀法制备得到ZnS并在355 nm激光下光还原CO2得到CH3OH，光照180 min后，CH3OH产量高达850 umol/g；(6) 一步水热法制备了Ag/TiO2复合物，Ag的高导电性和异质结界面使光生电子快速迁移至Ag，实现了光生电子空穴的有效分离，光降解RhB的动力学常数是TiO2的3.88倍。综上，本项目通过设计一系列Si基及其它半导体异质结，成功拓宽了光吸收频段，降低了光生载流子的复合，同时还发现离子掺杂所产生的协同作用可提升光催化性能，为开发该类异质结材料提供了理论指导。