银-螺旋氧化锌复合纳米管的制备及其光催化性能研究(6)
如图1.3为氧化锌光催化分解有机物可能的机理示意图，由于ZnO 分解有机物的机理研究较少，目前尚无文献明确报道研究其过程，因此沿用TiO2 的过程来解释ZnO 的光催化分解有机物可能的机理。在这个机理里面我们将每一个氧化锌颗粒作为一个小型的光电化学电池，当受到电场的作用时光生电子(e－)和空穴将发生迁移，它们分别迁移到ZnO 粒子表面的不同位置[29]。在ZnO 表面的光生电子(e－)易被在水中溶解的氧捕获，形成负氧离子(O2－)，而空穴中h＋则可氧化吸附在ZnO 表面的H2O 分子，从而将H2O 分子转化为羟基自由基(•OH)。O2－和•OH 都具有很强的氧化能力，O2－可以快速的氧化各种有机物，•OH能攻击有机物中的不饱和键或者与其分子中的氢原子结合，破坏有机物的结构从而使有机物分解，将有机物转化为水和二氧化碳，从而达到催化的作用 [30]。
图1.3 ZnO 的光催化分解有机物可能的机理
如图1.4为利用半导体和金属功函数间差异来解释异质结构的机理，同氧化锌相比，由于Ag颗粒表面具有较低的表面功函数，当银与氧化锌复合时，两者的费米能级会相互靠近并最终达到平衡，最终在银和氧化锌的异质面产生一个定向的电子。当氧化锌晶体内受光激发产生自由电子和空穴的时候，表面的银颗粒将起到电子受体的作用，能够很快的将自由电子迅速地从氧化锌晶体内分开。电子会在银颗粒的表面与外界进行催化作用，而在氧化锌晶体表面空穴则完成另一个催化过程。另外，由于银的自身也具有着很高的催化性能，也可以认为氧化锌在一定程度上是这些贵金属纳米颗粒在催化过程中的分散剂和稳定剂。目前进行了金，铂和银与氧化锌异质结构的研究，但由于银具有着较低的价格其他贵金属成本较高，所以银在氧化锌和贵金属的异质材料研究中占据很大的比重[31]。
图1.4 Ag与ZnO异质结构的机理
1.3 本文的目的与意义
随着纳米科学与合成技术的不断发展，各种结构新颖的TiO2, SiO2, Bi2O3, SnO2和ZnO等半导体材料被相继制备出来，并在光催化领域展现了良好的应用前景。其中，ZnO的禁带宽度约3.35eV，与TiO2（3.2eV）相近，具有较大的激子态束缚能(60meV)，成本低，无毒性，同时还具有优异的光学、电学性能和生物相容性。已有的研究表明，ZnO在有机污染物降解和光电传感器上比TiO2具有更大的前景。然而，由于禁带宽度较大，ZnO仅能被紫外光激发，而太阳光中紫外光仅占总辐射能量的4%，可见光则占到了总能量的45%，这就大大降低了其太阳光的利用率，不利于推广应用。同时，ZnO中的光生电子和空穴复合几率大，光催化效率不高。
因此，通过对 ZnO进行改性，提高其对可见光的响应范围以及光生载流子的分离时间，是当前科研工作奋斗的目标。本文针对氧化锌光催化应用中带隙宽度较大、量子效率不足以及载流子复合率高等问题，通过贵金属负载和形貌调控来提高催化剂的可见光催化效率。通过制备具有高级结构的银-氧化锌螺旋复合纳米管，用于探针分子的催化降解研究，开展手性结构调控催化效率的实验探索，深入对光催化机理的规律性认识，并据此开发出新型光催化纳米材料结构。
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