摘要
半导体光催化作为一种环境友好、可持续发展的技术，在水分解、二氧化碳还原和污染物降解等领域受到了广泛关注。然而，由于电子空穴的快速复合和低光利用率，光催化反应的效率仍然很低。为解决这些问题，研究人员设计了许多异质结催化剂体系，这些异质结通常发生传统Ⅱ型光催化机制。传统异质结体系可以有效地促进了载流子的空间分离和分离效率，但这些优势是以牺牲载流子的氧化还原能力为代价的。因此，能减少载流子复合同时最大限度地提高光催化剂氧化还原电位的直接Z型异质结体系被认为是较好的解决策略。值得注意的是，要成功构建Z型异质结催化剂要求用于还原的光催化剂的功函数应小于用于氧化的光催化剂的功函数。 WO3是作为一种可见光驱动光催化剂，其禁带宽度约为2.4~2.8eV，价带电位达到2.7~3.4eV。高价带电位和可见光驱动特性的优点使WO3在构建高性能异质结光催化剂方面具有很大的潜力。寻找一种导带电位较负的半导体与WO3构建直接Z型体系光催化剂是解决载流子复合问题，提高光催化效率的有效途径。g-C3N4作为一种中带隙（2.7eV）半导体，具有良好的可见光响应、高稳定性以及较低的导带位置（约﹣1.2eV），是一种优良的耦合还原型半导体。除此之外，具有适当的带隙（2.3~3.3eV）及低导带位置（约﹣1.4eV）的SiC也是目前的研究热点，用来构建直接Z型WO3/SiC光催化剂的研究尚未见报道。本论文通过简单水氧化沉淀法制备了二维WO3，构建了WO3/g-C3N4直接Z型光催化剂及WO3/SiC直接Z型光催化剂，探究了其光催化性能及光降解机理。本论文的主要研究内容及结果如下： （1）采用简单的水氧化沉淀法制备了不同形貌尺度但晶体结构均为标准单斜相的WO3。80℃加入硝酸（WO3-HNO3）制备尺寸约为100~200nm的二维纳米片结构，室温下加入盐酸（WO3-HCl）制备尺寸为1μm以上的片状结构。WO3-HNO3光降解RhB（5mg/L）的效率是WO3-HCl的1.99倍。利用光致发光（PL）光谱及瞬态光电流响应分析证明了WO3-HNO3因其二维纳米片结构而具有更高的光生电子空穴对分离效率，从而增强了光催化活性。 （2）采用相同的制备方法构建直接Z型异质结WO3/g-C3N4，以最大限度地提高光催化剂WO3/g-C3N4的氧化还原电位。通过XRD、SEM、XPS、UV-vis漫反射光谱、活性物质捕获实验等分析手段对样品进行了综合表征，表明了二维WO3紧密地覆盖在g-C3N4表面并形成了Z型异质结。WO3/g-C3N4-1:2光降解RhB（8mg/L）的降解效率和速率常数比WO3分别提高了7.1倍和33.9倍。此外，WO3/g-C3N4复合材料具有良好的光稳定性和重复使用性。通过自由基捕获实验和能带结构探究了复合材料的光催化机理及光降解过程中的主要活性物种。 （3）首次制备了直接Z型光催化剂WO3/SiC（WS）。利用XPS、KPFM、Mott-Schottky方法表征了直接Z型异质结WO3/SiC（WS）的组成和界面能带结构。WS-1光降解RhB（8mg/L）的降解效率和速率常数比WO3分别提高了2.5倍和5.3倍。ESR测试和自由基捕获实验证实了WS-1光催化剂产生?OH和?O2－活性物种，进一步证实了光生载流子是通过Z型模式传输的。带结构研究表明，由高价带的WO3和低导带的SiC组装的直接Z型结构能够维持活性物种的高光催化活性。本论文的研究将为设计和构建新型直接Z型光催化剂提供了一种可行的策略。
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