【摘要】：由于半導(dǎo)體光催化劑可以被應(yīng)用到治理工業(yè)污染,故對有效改善能源與環(huán)境等問題有重要的意義。雖然二氧化鈦作為半導(dǎo)體光催化劑的代表已經(jīng)受到了廣泛的研究,但是其寬帶隙和載流子易復(fù)合的缺陷抑制了進一步使用,所以開發(fā)新型高效光催化成為了必然趨勢。鉍系化合物由于其獨特的電子結(jié)構(gòu)和平整的層狀形貌在光響應(yīng)方面較其他催化劑而言有更大的優(yōu)勢且容易制備。鉍系化合物不但結(jié)構(gòu)有益于催化反應(yīng)的進行,并且Bi的6s電子與O的2p態(tài)電子軌道雜化提供了較為合適的帶隙寬度和分散的價帶結(jié)構(gòu),有效地抑制了光生載流子復(fù)合。鉍系化合物的制備方法簡易快捷、反應(yīng)迅速穩(wěn)定,是有潛力的光催化材料。關(guān)于層狀鉍系化合物的開發(fā),本文通過溫和的一步水熱法成功制備了金屬鉛離子參與修飾的鉍系化合物Bi202(BO20H),形成新的化合物Bi2xPbxOO(BC2OH)。通過X射線衍射譜,X射線電子能譜等表征手段,判定出鉛已經(jīng)成功進入原有硼酸氧鉍的晶格中,且沒有改變晶格結(jié)構(gòu),屬于替位式摻雜。實驗表明,鉛的存在使硼酸氧鉍Bi2O2(BO2OH)隨機排列的層狀形貌堆疊修改成納米球,投料的不同摩爾比對最終產(chǎn)物的形貌差異不大,但最終產(chǎn)物表現(xiàn)出的光催化降解模擬污染物羅丹明的效率不同。其中鉍和鉛的投料比在1.5/0.5的情況下經(jīng)測定表現(xiàn)出最優(yōu)光催化效率:比P25高約30%。鉛修飾能提高載流子壽命使由于鉛雜質(zhì)能級捕獲空穴,降低了光生電子和空穴的復(fù)合率;通過密度泛函理論計算得知鉛的6p態(tài)電子與半導(dǎo)體Bi2O2(BO2OH)中Bi的6s 6p電子和O的2s態(tài)電子發(fā)生雜化,改變了費米能級附近的電子態(tài)密度分布,使費米能級向?qū)У奈恢靡苿?從而降低了能帶間隙,拓寬了硼酸氧鉍對光波長的響應(yīng)范圍,增強了催化劑對光能的利用率,是以上兩方面提升了催化活性。所以,硼酸氧鉍作為一種新型的層狀化合物,以延長載流子壽命的方法提升了光催化活性。此外,針對鉍系層狀化合物形成復(fù)合的光催化材料也是通過一步水熱法,成功制備了含有不同碘酸鉍質(zhì)量分數(shù)的碘酸鉍與硼酸氧鉍BiIO4/Bi2O2(BO2OH)的異質(zhì)結(jié)型光催化材料。X射線衍射圖譜證明了最終樣品的確是由碘酸鉍和硼酸氧鉍這兩個組分共同構(gòu)成的。實驗上首先制備了含不同質(zhì)量分數(shù)的碘酸鉍形成的復(fù)合材料,經(jīng)測定性質(zhì)表明含有質(zhì)量分數(shù)35%的碘酸鉍時形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)最具光催化活性。其次,本文還實現(xiàn)了不同pH制備環(huán)境下的35%碘酸秘/硼酸氧鉍復(fù)合材料形貌和光催化性能的比較,發(fā)現(xiàn)在pH等于7時的樣品具有最高的反應(yīng)活性。通過復(fù)合,在制備條件為pH等于7條件下,35%碘酸鉍/硼酸氧鉍復(fù)合材料的光學(xué)吸收帶隙縮短至2.68 eV,,比兩個不同組分的材料具有更長的光波長響應(yīng)范圍,從增加光能利用率的角度提升了光催化降解羅丹明溶液的效率。除了降低光學(xué)吸收帶隙寬度,硼酸氧鉍和碘酸鉍中的IO-3和(BO2OH)2-陰離子獨特的極性結(jié)構(gòu)有效延長了載流子的壽命,促使降解反應(yīng)得以長期有效地進行。陰離子基團B03在晶格中各個原子相互作用下(主要是庫倫相互作用)被歪曲成非平面的,具有非對稱結(jié)構(gòu)的基團,從而形成了晶格內(nèi)部極化場,使得光生電子和光生空穴能在電場作用下定向移動,有效分離;復(fù)合結(jié)構(gòu)中的IO-3在c軸方向自發(fā)極化,協(xié)同沿c軸極化的(BO2OH)2-,增強了內(nèi)部極化場的場強,利于光生載流子遷移,有效促進了電子空穴對的分離,使復(fù)合材料具有顯著的光催化活性。
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【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36;O644.1

【參考文獻】

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本文編號：2470274