納米Ag修飾多級(jí)硅光電極的制備及其光電催化脫氯性能.pdf

1、光催化技術(shù)是環(huán)境污染控制領(lǐng)域最具發(fā)展前景的新技術(shù)之一。該技術(shù)利用光子誘導(dǎo)的強(qiáng)氧化性空穴或羥基自由基(·OH)分解有毒有害污染物，具有可利用太陽能、環(huán)境友好和無選擇性等優(yōu)點(diǎn)。TiO2是研究最廣泛的光催化材料，其禁帶寬度為3.2 eV，只能吸收占太陽光譜5％的紫外光，而且光生電荷復(fù)合率高導(dǎo)致量子效率低，使其難以高效利用太陽能，也制約了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此，拓展吸收光譜范圍和抑制光生電荷復(fù)合是光催化技術(shù)研究的重要方向。
　　硅的禁帶寬

2、度為1.12 eV，能吸收1100nm以下的太陽光。構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是提高光生電荷分離效率的有效途徑。因此設(shè)計(jì)新型硅基異質(zhì)結(jié)光催化材料有望解決上述問題。
　　硅材料在污染控制領(lǐng)域應(yīng)用面臨的主要問題是容易與水或氧氣反應(yīng)導(dǎo)致氧化鈍化，另外如何減少對光的反射也是提高硅材料光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。針對上述問題，本論文通過制備多級(jí)結(jié)構(gòu)減少硅材料對光的反射，進(jìn)一步通過在多級(jí)硅表面負(fù)載納米Ag構(gòu)建異質(zhì)結(jié)以提高電荷分離效率并阻止硅與水或氧的接觸從而抑制鈍化，

3、最終實(shí)現(xiàn)對太陽光的高效利用和促進(jìn)光催化技術(shù)向?qū)嵱没l(fā)展。研究工作主要包括如下內(nèi)容:
　　(1)采用金屬輔助無電化學(xué)刻蝕法制備多級(jí)結(jié)構(gòu)硅納米材料。掃描電鏡(SEM)觀察到硅柱(Silicon micropillar，SiMP)陣列表面均勻地分布著長度均一、排列整齊的硅納米線(Silicon nanowire，SiNW)。光照下的線性循環(huán)伏安測試結(jié)果表明，刻蝕時(shí)間為25 min的SiNW/SiMP在-1 V時(shí)的光電流密度為-31 mA

4、·cm-2(vs SCE)，大于刻蝕時(shí)間為5、10、15、20和30 min的其他樣品。循環(huán)伏安測試結(jié)果顯示，制備出來的SiNW/SiMP在水溶液中不穩(wěn)定，光電流隨時(shí)間衰減，這是由于硅被水和溶解氧氧化成絕緣的SiO2所致。SiNW/SiMP電極對4-氯酚的光電催化脫氯效率達(dá)到85％，分別是電催化過程和光催化過程去除率的3.3倍和1.5倍，是SiMP(60％)的1.4倍，表現(xiàn)出良好的光電催化性能。
　　(2)為改善SiNW/SiMP

5、在水溶液中的穩(wěn)定性，采用無電化學(xué)沉積的方法在其表面沉積Ag納米顆粒。采用SEM、X射線衍射和能量彌散X射線確認(rèn)了SiNW/SiMP表面存在Ag納米顆粒。測試Ag沉積時(shí)間分別為1、3和5 min的樣品的循環(huán)伏安和線性伏安，發(fā)現(xiàn)隨著沉積時(shí)間的延長，光電流先增加后減小，電化學(xué)穩(wěn)定性顯著改善。沉積時(shí)間為3 min的Ag/SiNW/SiMP樣品十個(gè)循環(huán)中光電流保持不變，為-37.5 mA·cm-2，超過3 min后，雖然穩(wěn)定性仍然很好但是光電流減

6、弱。這一變化規(guī)律可以解釋為過多的Ag阻礙了硅對入射光的吸收。
　　(3)以4-氯酚為目標(biāo)物評(píng)估Ag/SiNW/SiMP在水溶液中光電催化脫鹵性能。六次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ag/SiNW/SiMP電極能夠在水溶液中長時(shí)間穩(wěn)定地輸出光電流。反應(yīng)1小時(shí)后，光電催化過程脫氯效率達(dá)到95％，分別是電催化過程(38％)和光催化過程(66％)的2.4倍和1.4倍。Ag/SiNW/SiMP對4-氯酚的動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.104 min-1，分別是SiN

7、W/SiMP電極(0.033 min-1)和SiMP電極(0.013 min-1)的3.2倍和8倍，表現(xiàn)出優(yōu)良的光電催化還原脫氯性能。這是由于Ag與硅界面處的內(nèi)建電場促進(jìn)了光生電子與空穴的分離，使更多的光生電子參與到脫氯的反應(yīng)中去，從而提高光電催化脫氯的效果。
　　綜上，本論文描述的Ag/SiNW/SiMP能夠借助Ag的保護(hù)作用克服Si的鈍化，利用Ag與Si內(nèi)建電場促進(jìn)電荷分離，利用SiNW/SiMP結(jié)構(gòu)減少光的反射以及增大與污染