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类石墨碳修饰提高ZnO 纳米棒阵列光催化活性和光稳定性的研究
a
a
a
a,b
a,b,c
a,b,*
张学伟 , 张学亮 , 王 鑫 , 刘乐全 , 叶金花
, 王德法
a
天津大学材料科学与工程学院, 天津市材料复合与功能化重点实验室, 先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室,
天津大学-NIMS 国际合作实验室, 天津300072, 中国
b
天津化学化工协同创新中心, 天津300072, 中国
c
日本国立物质材料研究机构材料纳米构筑学国际中心(WPI-MANA), 茨城县305-0044, 日本
2
摘要: 半导体光催化是一种理想的太阳能化学转化绿色技术, 可以实现水分解制氢和CO 光还原制备碳氢化合物燃料. 氧
化锌 (ZnO) 作为一种直接带隙半导体材料, 一方面具有性能优异、价格低廉、易制备等优点; 另一方面因光腐蚀而不稳定,
大大限制了该材料的实际应用. 本文提出了一种简单易行的类石墨碳修饰方法, 可以有效提高 ZnO 用于CO
2
光还原的光
催化活性和稳定性.
首先采用水热法在金属锌片基底上生长 ZnO 纳米棒阵列 (ZnO-NRA), 然后通过葡萄糖水热法进行不同含量的类石墨
碳 (C-x) 修饰, 形成 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构, 同步实现碳包覆和碳掺杂. X 射线衍射结果表明, ZnO 纳米棒及
ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构都具有良好的纤锌矿型 (Wurtzite) 结构; 而拉曼散射则清楚地证实了类石墨碳的存在. 扫描
电子显微观察显示, 生长的 ZnO 纳米棒长度大约 25 m, 直径为 400700 nm, 沿方向[0001]生长, 端部由六个规则的 (103)
晶面组成, 进一步直观佐证了 ZnO 的典型纤锌矿型结构特征. 透射电子显微分析结果表明, ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构
中类石墨碳包覆层厚度大约为 8 nm. ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的 X 射线光电子谱分析结果验证了 CC, CO 和 C=O
键的存在与碳的包覆层相对应; 而 COZn键的出现则是由于碳在 ZnO 中掺杂所引起. 从紫外-可见吸收谱上可观察到
ZnO 的典型吸收带边位置约为 385 nm, 而碳的包覆和掺杂导致 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的吸收带边发生红移, 并且吸