二氧化锡纳米材料的低温液相法合成及其光催化性能研究

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1、国内图书分类号：TN304西北工业大学工学博士学位论文二氧化锡纳米材料的低温液相法合成及其光催化性能研究博士研究生：王晶导师：樊慧庆申请学位级别：工学博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017年3月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex:TN304DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyLow-temperatureSolution-bas

2、edSynthesisofSnO2nanostructuresandtheirPhotocatalyticPropertiesPh.DCandidate：WANGJingAdvisor：ProfessorFANHuiqingDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsScienceSchool：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：March2017UniversityCon

3、ferringDegree：NorthwesternPolytechnicalUniversity摘要摘要随着全球工业化进程和人口增长，环境保护已经成为当前社会最为关注的问题之一。半导体光催化技术具有降解速度快、无毒无害、可以彻底降解有机污染物等优点。SnO2是一种重要的半导体材料，因其独特的物理化学特性而被广泛应用于光催化剂、气体传感器、染料敏化太阳能电池、透明电极等领域。本文以SnO2为研究对象，在低温一步制备了不同形貌SnO2纳米材料，从形貌调控、金属掺杂和贵金属修饰等方面，合成和研究了SnO2纳米材料在

4、光催化降解有机物方面的性能和应用。仅以SnCl2•2H2O和KOH为反应物，用水热法低温一步合成了形貌均一、单分散的核桃状SnO2纳米球。KOH的浓度对SnO2晶体的各向异性生长影响很大，通过调节KOH的量可以控制产物的形貌。通过不同时间所合成的产物的结构和形貌，推断核桃状SnO2纳米球的形成主要是Ostwald熟化过程引导的。不同的矿化剂对产物的形貌也有显著的影响，KOH在晶面的吸附能弱于NaOH，弱化了SnO2沿特定方向生长速率，因此生长成为球状结构。通过光催化降解有机物实验，发现核桃状SnO2纳米球的催化

5、性能要优于市售的SnO2，其原因在于其具有特殊的形貌、大的比表面积以及在溶液中良好的分散度。无需模板或表面活性剂，低温一步选择性的合成了SnO2空心微球和SnO2纳米片结构。反应体系中的尿素可以控制反应体系中纳米粒子成核与生长速率，而溶液中的氧含量则直接影响Sn(II)离子的氧化过程。通过不同反应时间合成产物的结构和形貌，推断出SnO2空心微球主要是溶解再结晶的Ostwald熟化过程导致的，而溶液中相对较少的溶解氧则是控制合成SnO2纳米片的关键因素。由于纳米材料的尺寸效应，SnO2空心微球和SnO2纳米片的R

6、aman光谱出现了明显的谱线位移和展宽。SnO2空心微球和SnO2纳米片光学带隙都小于SnO2体相材料，这是因为两者都是在低温条件下一步合成，没有经过高温焙烧，晶体内存在较多的氧空位或缺陷造成的。通过光学和电化学性能测试发现，SnO2空心微球和SnO2纳米片的光生电子和空穴具有光催化降解所需的氧化还原电势。光催化实验表明SnO2纳米片相较于SnO2空心微球具有较高的催化活性，其催化活性反应物主要为自由基。SnO2纳米片拥有较高的催化活性主要是因为其具有特殊的2D结构，暴露在外的晶面为高能晶面（001），另外Sn

7、O2纳米片的比表面积更大、光学带隙值更小，这对半导体光催化剂都是有利因素。用溶剂热法低温一步合成了具有分级结构的花状SnO2纳米棒和Zn掺杂SnO2多孔微球，并对它们的结构特性、光学特性和电化学性能分别进行了表征和分析。由于晶体的生长受其自身晶格对称性及表面能的影响，因此即使不加表面活性剂，也可以生长出具有分级结构的SnO2纳米棒。研究发现，Zn离子的掺杂会改变SnO2的微结构，引起SnO2晶格的畸变，增大SnO2纳米棒的长径比，这表明Zn离子的掺杂会改变SnO2原来I各晶面的表面能，进而影响到SnO2纳米晶最

8、后的形貌。随着Zn离子掺杂量的增加，SnO2晶体的光学性能有明显的变化。这是因为Zn离子的掺杂会导致氧空位浓度的增加，导致了SnO2晶体电子分布的改变。这一点通过对样品进行XPS和电化学测试而得到了证实，Zn的掺杂会使SnO2价带顶和导带底上移，并减少原有SnO2的光学带隙。对比实验表明Zn掺杂的SnO2多孔微球具有较好的光催化性能，其光催化效率比纯SnO2提高了3.9倍，这应归因于其