氧化镓光催化剂的光吸收调控及其有机物降解研究.pdf

摘要

光催化技术能够把太阳能转化成洁净氢能，也可以将有机污染物转化成无害的小分

子物质，是一种新型的、对环境友好的、效率高的、具有研究前景的技术，在能源和环

境两大方面均具有重要的研究意义与价值。隶属于新兴的超宽禁带半导体GaO，比第

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三代半导体材料SiC（3.26eV）、GaN（3.40eV）的带隙更宽（4.54~4.90eV）。超宽的

带隙决定了GaO中的光生电子和空穴拥有更强的氧化还原能力，这一特点对于有机污

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染物的光催化降解非常有利。但是，正是由于GaO超宽的禁带宽度，其光吸收范围也

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相应的非常窄。同时GaO是一种直接带隙半导体材料，因此光生电子和空穴的复合速

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率也非常高。这两大问题，对于GaO在光催化领域中的应用非常不利。本文通过形貌

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调控、贵金属沉积以及缺陷设计这三种方法来拓宽GaO的光谱吸收范围，并增加其内

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光生电子-空穴的寿命，进而改善其光催化降解性能。具体研究内容如下：

（1）用水热法制备出了表面具有孔洞结构的β-GaO纳米颗粒，研究了水热温度与

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水热时间对β-GaO纳米结构形貌及其光催化性能的影响。光催化降解实验结果表明，

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水热时间为12小时、水热温度为120℃，所制备得到的β-GaO纳米颗粒对于罗丹明B

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染料（10mg/L）的光催化降解性能最佳。在500W氙灯照射90分钟后，其光催化降解

效率高达93.8%。

（2）以碳纳米球作为牺牲模板，制备了一种β-GaO空心纳米球，其平均外径在150

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nm左右、厚7nm左右。结果表明，相比于前面得到的GaO纳米颗粒，这种空心纳米

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球结构在深紫外和可见光波段的光谱吸收特性得到了明显提升，同时其光学带隙也有所

减小。在模拟太阳光照射下，β-GaO空心纳米球结构在60分钟内光催化降解罗丹明B

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染料（RhB）的效率达到了98.3%。

（3）采用光沉积的方法制备得到了Ag-GaO复合材料，其中Ag是以纳米颗粒的

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形式负载在β-GaO上。结果表明，Ag纳米颗粒特殊的等离子体结构，增加了Ag-GaO

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复合材料中的平均光子路径长度，使得复合材料在可见光波段的光学吸收得到很大的提

升。而Ag和GaO之间的相互作用也同时促进了GaO内光生载流子的分离。Ag-GaO

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复合样品在模拟太阳光条件下，30分钟光催化降解RhB的效率为95.9%。在可见光照

射条件下（λ400nm），120分钟内RhB染料的光催化降解效率为38.4%。

（4）以镁粉作为还原剂，以β-GaO纳米颗粒作为前驱体，在真空条件下采用高温

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固相还原法制备了氧空位浓度可控的黑色GaO。结果表明，所得黑色Ga