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光催化技术是解决环境污染及能源短缺的新型绿色环保型技术。钛酸锶作为典型的n型半导体氧化物,具备良好的耐腐蚀性、高化学稳定性及光催化活性等特性,在光催化领域有着巨大发展潜力。但因其禁带较宽,光能利用率低及光生电子和空穴分离效率低等因素,严重制约着钛酸锶的光催化性能。在本研究课题中,通过Nb表面掺杂首次合成具有表面量子阱效应的钛酸锶(quantum wellSrTiO3,QW-SrTiO3)纳米立方体。SrTiO3拓宽了其光响应范围,增强光生电子和空穴的分离效率,获得了优异的光催化降解有机物及分解水制氢性能。1、通过对SrTiO3进行内部La掺杂,表面Nb掺杂成功制备了具有表面量子阱效应的SrTiO3纳米立方体。其中,La离子替代Sr离子提高SrTiO3载流子浓度而不改变SrTiO3的能带结构;表面Nb离子替代Ti离子形成Nb掺杂的二维界面,同时降低SrTiO3表面层的能带结构。由此,在纳米立方体的内部与表面会形成约O.1eV的电位差,从而能够将电子限制在Nb掺杂的表面层内,进而可得纳米尺度的量子限域效应。2、QW-SrTiO3具有较高的光催化降解有机物性能。实验结果表明,可见光照射下,QW-SrTiO3可高效降解罗丹明B(RhB),且展现了良好的循环稳定性。当RhB的浓度为10 mg/L时,最佳催化速率约为0.3 min-1,远高于纯SrTiO3(0.01 min-1)和La掺杂SrTiO3(0.13 mir-1),其最优掺杂含量为La 10%内部掺杂和Nb 5%表面掺杂。且表面量子限域效应能够诱导产生更多的主要催化活性物质(·O2-),大大增强了样品的光催化活性。3、QW-SrTiO3在光催化分解水制氢领域也表现出了优异的性能。实验结果表明,当掺杂含量为La 1%内部掺杂和Nb 5%表面掺杂时,QW-SrTiO3分解水产氢速率最高为 673.8 μmol h-1 g-1,约是纯 SrTi03(188.0 μmol h-1 g-1)的 3.6 倍。另外,在甲醇含量较低情况下(5mL),QW-SrTiO3依然保持较高的光催化活性,这表明SrTiO3表面量子阱的设计有利于光生载流子的分离。4、在成功合成QW-SrTiO3的基础之上,制备QW-SrTiO3/石墨烯(QW-SrTiO3/GR)复合光催化剂。实验结果表明,石墨烯的最佳负载含量为1.0%,此时对应的最高产氢速率约为14693.07 μmol g-1 h-1,相比于纯SrTiO3和QW-SrTiO3,分别提高了约78倍和22倍。其作用机理为:graphene/graphene-的电位(-0.08 V vs.SHE)低于Nb-SrTiO3的导带低,但同时高于H+/H2的还原电位(0 Vvs.SHE),故而Nb掺杂表面层上的电子可以快速迁移到石墨烯片层上。故而可增加其光生载流子的分离效率,大大提升其光催化产氢速率。