ganzno固溶体多级纳米结构的可控制备与光催化性能研究

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1、ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第一所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５全日制工程硕士学位论文—■领域：材料工程王利忠作者姓名：指导教师王德法石开究员：企业导师：张卫高工ｍ■天津大学研究生院２０１５年１２月＇独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作和取得的研宄成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研宄成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证一书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献

2、均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年以月曰卞学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、。，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存汇编以供查阅和借阅同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：丨Ｉ：签字曰期年〇月ｉ曰签字曰期：ｔ（月曰如ｔ分丨厂年（夕GaN/ZnO固溶体多级纳米结构的可控制备与

3、光催化性能研究ControlledSynthesisandPhotocatalyticPropertiesofGaN/ZnOSolidSolutionHierarchicalNanostructures学科专业：材料工程研究生：王利忠指导老师：王德法研究员张卫高工天津大学材料科学与工程学院二零一五年十二月摘要半导体光催化技术是一种具有广阔应用前景的解决能源危机与环境污染问题的新型绿色技术，能够将太阳能转化为化学能实现污染物降解、水分解制氢及二氧化碳光还原等。为了有效利用太阳光，研究者通过染料敏化、元素掺杂、半导体复合等手段开发具有可见光活性的光催化材料。

4、而利用两种或以上晶体结构近似但电子结构不同的半导体制备固溶体是一种开发具有可见光响应光催化材料的十分有效的能带工程方法。近来的研究表明，GaN/ZnO固溶体具有独特的能带结构：它的导带底主要由Ga的4s和4p轨道构成，而价带顶由Zn3d和N2p轨道构成；由于Zn3d和N2p存在p-d轨道排斥的作用，使其在导带位置几乎不变的情况下，价带位置得到提升，禁带宽度减小。因此，关于GaN/ZnO固溶体的研究近年来受到广泛的关注。本文采用不同的合成方法，包括溶胶凝胶法以及化学气相沉积法，实现了GaN/ZnO固溶体形貌和维度的可控制备，研究了不同形貌GaN/ZnO固溶

5、体的光催化性能。首次用溶胶-凝胶法合成了多孔片状多级纳米结构GaN/ZnO固溶体，由于多孔结构高的比表面积和气体吸附能力，其光催化降解IPA的效率是颗粒状GaN/ZnO固溶体的15倍。在使用不同自由基捕获剂（·OH,h+和O−2·）条件下，利用多级纳米结构GaN/ZnO固溶体进行的光催化降解异丙醇（IPA）的实验证明，电子和空穴共同影响IPA降解过程。长时间光催化降解反应显示，多孔片状GaN/ZnO固溶体具有非常良好的稳定性。此外，在多孔片状GaN/ZnO固溶体表面负载贵金属助催化剂，更利于光生电子和空穴的分离和迁移，可以促进IPA通过三电子反应更高效地

6、转化为二氧化碳；而在无贵金属担载时IPA只能通过单电子反应降解为丙酮。本文还研究了层片状GaN/ZnO固溶体的制备及其光催化性能。由于二维层片状结构的主要暴露面为高活性晶面，其光催化性能能够大幅提升。实验结果表明，层片状GaN/ZnO固溶体降解IPA的活性是传统颗粒状固溶体的近9倍。此外，本文研究了GaN/ZnO固溶体纳米线的制备及其光催化性能。得益于一维纳米结构的高载流子传递率，其二氧化碳光还原活性远远高于颗粒状样品。关键词：GaN/ZnO固溶体，能带工程，光催化，形貌调控，机理研究，IPA降解，CO2光还原ABSTRACTSemiconductorp

7、hotocatalysis,whichcanmakeuseofsolarenergyforpollutantdegradation,watersplitting,carbondioxidereductionetc,isapromisingidealgreentechnologyforsolvingtheenvironmentpollutionandenergycrisisissues.Inordertoeffectivelyutilizethesolarenergy,alotofeffortshavebeenpaidondevelopmentofvisi

8、ble-light-activephotocatalystsbymeansofd