基于等離子基元、量子點(diǎn)修飾的半導(dǎo)體材料的光電性能研究.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)作為一種優(yōu)良的明星無機(jī)半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于一些光致誘導(dǎo)的應(yīng)用過程。然而，其3.0 eV-3.2 eV的能隙寬度使其只能對紫外波段的入射光有響應(yīng)，對于可見光卻無法有效利用。因此，這就需要對TiO2材料進(jìn)行修飾改性，以減小整個(gè)體系的能隙寬度，選擇合適的敏化修飾材料以及通過設(shè)計(jì)體系的形貌結(jié)構(gòu)來提升光子的吸收效率對該體系十分重要。另外，等離子基元材料由于其獨(dú)特的局域表面等離子體性質(zhì)，近年來獲得了廣泛的研究和應(yīng)用，其中金納米

2、棒由于其長徑比可調(diào)的特性，具有很大的吸收峰浮動范圍，成為其中的研究熱點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，對于金納米棒的光催化性質(zhì)的研究和應(yīng)用具有十分重要的意義，本文從以下幾個(gè)方面開展了相關(guān)工作:
　　1、設(shè)計(jì)并采用石墨烯量子點(diǎn)（Graphene quantum dots，GQDs）敏化二氧化鈦納米纖維，GQDs的能隙寬度經(jīng)循環(huán)伏安法測量僅為1.15eV，可以直接吸收可見光光子，將其轉(zhuǎn)化為電子傳輸?shù)蕉趸亴?dǎo)帶，最終形成光電流。本文具體研究了各反應(yīng)條件

3、對復(fù)合材料光電性能的影響，發(fā)現(xiàn)混合晶型的二氧化鈦?zhàn)鳛楣怅枠O材料時(shí)比單獨(dú)的銳鈦礦或者金紅石型的二氧化鈦表現(xiàn)的光電性能更好。另外，GQDs的含氮量越高，體系的光電性能越優(yōu)越。本文對不同波長的入射光對體系光電性能的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)只有450nm-480nm和550nm以上波長的光子才可以有效提升光電流的數(shù)值，并分別對應(yīng)normalPL和反stokes PL機(jī)理。GQDs的存在大大降低了體系的能隙寬度，使得體系對更高波長的光子有響應(yīng)，從而拓寬

4、了其光電和光伏應(yīng)用。
　　2、設(shè)計(jì)并制備了金納米棒修飾的紅毛丹狀二氧化鈦微球結(jié)構(gòu)，并以羅丹明B的光降解反應(yīng)作為模型反應(yīng)來表征該材料的光催化活性。金納米棒在體系中的作用不僅僅是產(chǎn)生熱電子參與反應(yīng)，其光熱效應(yīng)也提升了降解反應(yīng)的反應(yīng)速率。紅毛丹狀的微球結(jié)構(gòu)被證明可以大幅提升體系的光電和光催化活性，紅毛丹狀納米微球表面均勻分布的TiO2多枝結(jié)構(gòu)給了光子在TiO2微球表面多次反射的機(jī)會，從而增進(jìn)了光子的吸收效率，進(jìn)而提升了羥基自由基的產(chǎn)量和

5、光熱效應(yīng)的效果。與納米線狀結(jié)構(gòu)比較，在負(fù)載了金納米棒以后，其作為光催化劑單位時(shí)間內(nèi)所生成的可用于產(chǎn)生羥基自由基的熱電子為后者負(fù)載金納米棒后產(chǎn)生的2.5倍，負(fù)載在其上的金納米棒單個(gè)的平均發(fā)熱功率是其4.4倍。另外，負(fù)載金納米棒后，由于羅丹明B在TiO2微球表面的吸附方式的改變，其降解路徑變?yōu)閮?yōu)先進(jìn)行脫乙基反應(yīng)的反應(yīng)方式。這種全新的形貌設(shè)計(jì)為光催化劑的研究和發(fā)展提供了一個(gè)新的思維方式。
　　3、選用經(jīng)典的種子法制備金納米棒，并研究了各

6、反應(yīng)條件的改變對金棒長徑比的影響。在種子法制備的金納米棒的基礎(chǔ)上，采用第二步的生長法制備得到了具備凹凸結(jié)構(gòu)的啞鈴型的金納米棒結(jié)構(gòu)。本文引用了一個(gè)θ值的概念來代表該結(jié)構(gòu)的凹凸程度，這個(gè)值隨第二步法金離子的加入量的增大而首先增大，達(dá)到一個(gè)極值后隨后減小。以對硝基苯酚的還原反應(yīng)作為模型反應(yīng)，啞鈴型金納米的催化活性與直棒相比優(yōu)勢明顯，并且其光催化活性與θ值的大小相對應(yīng)，并在可見光照射時(shí)活性更高。這種表面改性的金納米棒為金納米棒催化劑的應(yīng)用和發(fā)展

7、提供了一個(gè)新的方向。
　　4、采用啞鈴型金納米棒作為光催化劑來還原氧化石墨烯(Graphene oxide，GO)片層制備還原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide，RGO)，LSPR作用使金納米棒在可見光照射下產(chǎn)生熱電子，在反應(yīng)中同時(shí)起到了催化劑和造孔劑的作用。與金納米棒接觸的GO總是首先開始破裂并發(fā)生反應(yīng)，并最終將GO片層切割成一片一片的小塊的RGO片。該方法制備RGO方便快捷、效率極高，生成得到的RGO相較