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近年來,資源緊缺和環境惡化問題侵蝕著人類的生活,太陽能驅動的光催化技術是解決能源危機和環境污染的有效途徑。光催化劑是具有光催化功能的光半導體材料的總稱,已被廣泛報道并應用于各個領域,如產H2O2、光催化制氫、CO2還原、降解有機污染物]、固氮、光催化抑菌等。然而傳統的光催化劑包括TiO2、g-C3N4、MoS2、ZnO、WO3、鉍系有機物等,因存在帶隙寬、比表面積小、光生電子空穴對復合嚴重的問題,對可見光的利用受到限制。目前用于改善光催化劑性能的方法有形貌調控、元素摻雜、貴金屬沉積、構建異質結等,通常需要引入其他化學物質,這不僅會增加成本,而且很容易引起二次污染。在此背景下,等離子體法被發現對材料的表面處理具有獨特的優勢,如無需添加其他化學物質,改性成本較低,反應過程簡單迅速,適用于催化劑的大批量改性,且改性過程溫和,無二次污染物產生,綠色環保。因此,等離子體法改性光催化劑逐漸被重視并大量研究。

等離子體處理

等離子體是由電子、原子、離子或自由基團等組成的電離氣體,被認為是除固體、液體、氣體之外的第四種物質形態。等離子體對光催化材料的表面改性在于通過電子轟擊作用刻蝕,摻雜、制造缺陷、引入官能團、剝離形貌等。除此之外,等離子體法也可參與制備光催化劑,不僅能夠通過放電產生的活性物種將金屬離子還原成金屬納米粒子,而且能利用等離子體沉積、濺射、等離子體電解氧化等方式將具光催化性能的組分固定在合適的基底上,以提高活性組分的分散性及穩定性。

等離子體通常由氣體放電產生,氣相等離子體技術在光催化劑表面處理中的應用由來已久。等離子體處理氣氛的不同會使材料的改性效果有所差異,如在O2或N2氣氛下使用等離子體對g-C3N4進行改性。氧等離子體處理不僅提高了g-C3N4的比表面積,而且有效地減少了光生電子和空穴的復合,處理后的g-C3N4-O光催化降解RhB的活性比原始g-C3N4提高4.2倍,而N2等離子體處理的材料不僅表面積降低,而且光催化活性明顯減弱。此外,在單一氣氛還是混合氣氛等離子體下處理材料也會影響改性效果。常用的單一等離子體氣氛有氬氣(Ar)、氮氣(N2)、氧氣(O2)、氫氣(H2)、氨氣(NH3)、空氣等,混合氣氛包括Ar/O2、Ar/H2和Ar/NH3等,部分氣相等離子體處理的光催化劑及其光催化性能如表1所示。

單一氣氛等離子體處理

Ar等離子體的主要作用是刻蝕和剝離,從而產生更多的缺陷,增加活性位點,此外還擁有一定的N、O摻雜能力。O2等離子體主要有氧化和刻蝕的作用。H2等離子體具有刻蝕和還原的作用。NH3等離子體具有N摻雜、刻蝕和還原的作用。

綜上所述,氣相等離子體法處理光催化材料具有快速、有效、穩定的特點，等離子體處理修飾光催化材料的基本原理都是利用放電產生的活性組分刻蝕材料表面，既能增加材料表面親水性，又能在材料中引入缺陷，從而加快電荷分離和遷移速率,提高光吸收及利用性能。