摘要
能源危机和环境污染是人类目前所面临的两个重要问题。开发和研究用于环境监测的高性能的气体传感器及高效太阳能光电化学（PEC）分解水系统是解决我们所面临的问题两条有希望的途径。在众多材料中，金属氧化物半导体成为开发低成本、高效、结构性能稳定的气体传感器和光电化学分解水光电极的核心材料，并且具有很大的发展潜力。 本论文设计了简单、低成本和高效的方法合成了多种金属氧化物半导体，包括宽带隙半导体（SnO2、ZnO）和窄带隙半导体（α-Fe2O3、BiVO4），然而，单一金属氧化物不能满足当前人们对敏感材料和光电极材料的实际需求，而利用能带匹配原理来构建异质结（α-Fe2O3/BiVO4、ZnO/BiVO4和SnO2/BiVO4）是提高单一金属氧化物的气敏和光电化学性能的有效方法。此外，通过修饰还原氧化石墨烯（rGO）、碳量子点（CQDs）和Ni-Fe普鲁士蓝（NiFePB）助催化剂，实现了异质结复合材料的性能强化。利用电镜和多种光谱技术表征异质结的形貌和晶体结构，测试了其气敏和光电化学性能，揭示了多组分结构与气敏和光电化学性能之间的构-效关系，并从热力学能带结构和表面反应动力学两方面详细讨论了性能增强机制。本论文的研究内容和结果如下： （1）针对α-Fe2O3的灵敏度较差和载流子扩散长度短的问题，发展了金属有机分解（MOD）法，将双金属三元氧化物BiVO4引入到敏感材料和光阳极的制备中，通过合理有序的结构化设计，构建了α-Fe2O3/BiVO4异质结，异质结处的内置电场可以调控界面电荷迁移。系统地研究了不同BiVO4修饰量对异质结的晶体结构和性能的影响规律，拓宽了BiVO4的应用领域。结果表明，当Fe/Bi原子比为8：1时，α-Fe2O3/BiVO4在110℃下对2ppmNO2的响应是纯α-Fe2O3的4倍，并表现出良好的选择性和稳定性；通过对α-Fe2O3晶面调控，获得了PEC性能明显优异的α-Fe2O3光阳极，而最佳组分的α-Fe2O3/BiVO4/CQDs的光电流密度和IPCE分别是α-Fe2O3的2.2倍和1.92倍，电极/电解质界面的电荷转移电阻从1357Ω（α-Fe2O3）降低至481Ω，起始电位相比于α-Fe2O3阴极位移了243mV。Ⅱ型异质结的成功构建，有效地减少了电子和空穴的重结合，而CQDs不仅增加了活性位点，而且在促进水氧化动力学、扩大可见光吸收范围等方面也发挥着重要作用。 （2）基于能带匹配原理，成功构建了一系列不同比例的ZnO/BiVO4异质结复合物。发展了化学还原法和电沉积-浸渍法，制备了rGO修饰的异质结复合物敏感材料用于检测NO2气体和Ni-Fe普鲁士蓝（NiFePB）助催化剂修饰的ZnO/BiVO4异质结光阳极用于提高PEC分解水效率。结果表明，当ZnO与BiVO4摩尔比为8∶1、rGO的负载量为0.5wt%时，ZnO/BiVO4/rGO在95℃下对1ppmNO2的响应（126.6）是纯ZnO的5.7倍，检测极限为12ppb，响应/恢复速度快，并具有良好的线性和选择性，rGO的高导电性、高电子迁移率和大量的活性位点有利于电子的快速迁移和气体的吸附；ZnO/BiVO4/NiFePB光阳极在1.23Vvs.RHE下光电流密度达到1.66mAcm-2，是ZnO光电流密度的4.15倍，起始电位相比于ZnO显示出283mV的负移，IPCE和ABPE分别是ZnO的3.1倍和6.4倍，助催化剂能及时消耗电极/电解质界面上积累的空穴，在外加电位下加速水氧化反应动力学。 （3）针对SnO2选择性相对较差且带隙过宽只能吸收紫外光的问题，采用MOD法成功构建了SnO2/BiVO4Ⅱ型异质结，调控了界面载流子的迁移，增加了气体吸附活性位点，扩大了对可将光的吸收范围。利用rGO优异的电荷转移能力和大量的活性位点，实现了异质结性能的强化。通过对多组分结构进行合理调控，得到最佳组分的SnO2/BiVO4/rGO复合物。结果表明，0.5wt%rGO修饰的SnO2/BiVO4对TEA表现出优秀的选择性，在132℃下对20ppmTEA的响应（11.4）是纯SnO2的3.3倍，最低检测浓度达到0.11ppm；三元光阳极的光电流密度（2.05mAcm-2）是BiVO4的3.73倍，在400nm处的IPCE值达到44.4%，起始电位相比于BiVO4出现300mV的阴极位移，异质结和rGO的协同效应是性能增强的关键。
NETL