摘 要

目前，因为不可再生能源的大量消耗以及生态环境问题日益突出，越来越多的人将目光转向了清洁可再生能源。太阳能在现代社会扮演十分重要的角色，高效率把太阳能转化为其他形式能量，会对我们人类可持续发展起到推进作用。太阳能可以转化为化学能、热能等多种形式的能量，因为成本低，效率高，所以近年来利用半导体催化剂进行光催化分解水制得氢气获得了很多人的关注。当前光催化材料领域有很多材料，SrTiO₃半导体的电子空穴分离运输特性比较理想，而且能带位置也很合适，所以人们密切关注该种材料。

本文主要对半导体催化材料SrTiO₃进行了一些实验改进研究。首先阐述了光催化分解水的基本机理，分析了元素掺杂对于材料光催化性能的影响。实验时通过元素掺杂研究了p-d 电子轨道排斥作用对于半导体材料能带的影响。从光催化分解水原理看，对于光催化材料性能有很大影响的一个因素就是材料本身的结构，其中能带结构具有十分重要的作用。因为结构决定性能，掺杂方式是有效改变材料能带结构的一种方式。这种方法比较成熟，而且价格相较于其他方式比较低廉，所以我们通过掺杂元素的方法，试图改进材料的结构。本实验采用水热合成方法制得含有掺杂元素的SrTiO3，选取掺杂元素的时候，选择两组pd电子轨道排斥作用不同的元素作对比，来分析其如何影响SrTiO3的能带。

关键词：光催化技术，SrTiO₃，元素掺杂

The effect on the Energy Band of SrTiO3 Caused by

The intensity of p-d Repulsion

Abstract

Currently, because of the large number of non-renewable energy consumption as well as ecological and environmental problems have become increasingly prominent, more and more people are turning to clean renewable energy. Solar energy plays a very important role in modern society, high-efficiency solar energy into other forms of energy will play a role in the promotion of sustainable human development. Solar energy can be converted into various forms of chemical energy, thermal energy, etc., because of their low cost, high efficiency, so in recent years ,the use of semiconductor catalyst photocatalytic decomposition of water to obtain hydrogen to get a lot of people's attention. The current field of photocatalytic materials have a lot of material, SrTiO3 semiconductor’s electron-hole separationtransport property is ideal, and its position of energy band is suitable. So people pay close attention to this material.

This paper studies the Photocatalytic materials SrTiO3，describes the basic mechanism of photocatalytic water splitting and analyzes how doping influence the catalytic properties of the material. We studied how the p-d orbital electron repulsion influence the energy band of semiconductor materialwith doping. One factor from photocatalytic water splitting principle, the photocatalytic material properties have a great impact on the material itself. Among this the energy band structure plays a very important role. Because structure determines the performance, so we try to improve the structure of the material through adopting a method of doping elements . In this study, We synthesized SrTiO3 with doping element by hydrothermal synthesis method. When we select the doping element ,2 different groups elements with pd electron orbit repulsion is necessary to analyze how they affect SrTiO3 band.

Key Words： photocatalysis technique,SrTiO₃ , element doping.

目 录

摘要…………………………………………………………………………………I

ABSTRACT………………………………………………………………………Ⅲ

第一章 绪论………………………………………………………………………1

1.1 半导体光催化反应基本原理………………………………………………1

1.2 光催化材料的研究历史以及现状…………………………………………2

1.2.1 改进传统宽带隙光催化材料………………………………………2

1.2.2 新型光催化材料的开发……………………………………………3

1.3 光催化半导体材料性能影响素……………………………………………3

1.3.1 半导体的能带位置…………………………………………………3

1.3.2 晶体结构……………………………………………………………3

1.3.3 晶体缺陷……………………………………………………………4

1.3.4 比表面积……………………………………………………………4

1.3.5 半导体晶粒尺寸……………………………………………………4

1.4 半导体光催化材料SrTiO₃的研究现状……………………………………4

1.4.1 元素掺杂……………………………………………………………4

1.4.2 异质结………………………………………………………………5

1.4.3 Z体系………………………………………………………………5

1.5 本文研究意义………………………………………………………………5

第二章 样品特性的表征测试方法……………………………………………7

2.1粉末X射线衍射（XRD）…………………………………………………7

2.2 紫外-可见吸收光谱法（UV-Vis）…………………………………………7

2.3 X射线光电子能谱…………………………………………………………7

第三章 实验过程及结果分析…………………………………………………9

3.1 引言………………………………………………………………………9

3.2 实验样品制备……………………………………………………………9

3.3 测试与表征手段…………………………………………………………10

3.4 物理特性表征与分析……………………………………………………10

3.4.1 元素成分分析………………………………………………………10

3.4.2 晶体结构……………………………………………………………11

3.4.3 光吸收特性…………………………………………………………12

3.4.4 本章小结……………………………………………………………13

参考文献…………………………………………………………………………14

致谢………………………………………………………………………………18

1. 绪论

随着经济的快速发展，人类对于化石能源的需求越来愈高。然而化石能源是通过死亡动植物在地层中通过亿万年的化学反应而来的。所以注定了其不可再生这一特性。已知的可开采的全球石油储量，天然气储量，煤炭储量按照目前的消耗速度来计算，100年左右这些化石能源即将被消耗枯竭[1]。同时由于化石能源燃烧排放温室气体，其可产生温室效应并破坏大气臭氧层，已经给环境带来了巨大的压力。所以有必要去用清洁的能源部分替代传统的化石能源，这样既能够缓解化石能源的压力又能够起到保护环境的作用。目前的新能源有太阳能，风能潮汐能，地热能，核能等等。但是采集最方便，而且不受地理因素约束的就是太阳能了。将太阳能可以转化为热能是最直接的使用方式，这也是太阳能热水器的基本原理。但此种方式限定了能量只能转化为热能，而且热能不易储存携带。除此之外，太阳能光伏发电也是利用太阳能的一个热点领域。但由于光伏面板造价成本以及光电转化效率问题，光伏发电这一新兴产业并未能广泛普及开来。而光电化学领域是近年来太阳能研究领域的热点之一，其基本原理是在光的照射下，电极两端会产生电动势，利用电动势对水进行分解产生氢气。因为水在地球上是最常见的一种资源，而且氢气易存贮携带，并且其燃烧后的排放物为水，是一种完全零污染的理想能源。由于此前对于光催化半导体材料的了解甚少，但随着人们对于该类半导体材料了解的深入，太阳能光催化分解水的效率得以大大提高。所以将太阳能转化为化学能是当今的热点研究之一，而太阳能光催化分解水这一技术十分具有潜力，前景相当美好[2]。

1.1半导体光催化反应基本原理