鉍系半導(dǎo)體光催化劑的改性及其光催化性能研究
發(fā)布時間：2021-06-25 13:38
人類社會在不斷發(fā)展的同時,能源危機和環(huán)境污染問題也日益嚴重。半導(dǎo)體材料的光催化及壓電催化技術(shù)在解決這些問題的過程中正發(fā)揮著越來越重要的作用。本論文主要研究了兩種半導(dǎo)體催化劑,分別為一種鉍的堿式鹽[Bi6O6（OH）3]（NO3）3·1.5H2O和鈦酸鉍(Bi4Ti3O12)。兩種材料由于固有性質(zhì)的原因,光催化性能均較差。本文分別采用不同的改性方法有效提升了它們在可見光下的催化活性。同時也通過改性進一步發(fā)掘了Bi4Ti3O12作為鐵電材料在壓電催化領(lǐng)域的潛力。主要的研究成果如下:（1）以葡萄糖作為碳源,采用水熱法制備了碳摻雜的[Bi6O6（OH）3]（NO3）3·1.5H2O,然后用Na BH
【文章來源】：華南理工大學廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：83 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
光催化過程中的化學反應(yīng)光生電子和空穴在半導(dǎo)體材料表面發(fā)生的反應(yīng)如圖1-1所示
第一章緒論31.3以機械能驅(qū)動的催化反應(yīng)1.3.1壓電催化壓電催化最早可以追溯至1998年，日本學者發(fā)現(xiàn)了部分一元金屬氧化物在機械攪拌下能夠全分解水的現(xiàn)象[2]，值得注意的是反應(yīng)過程是在無光環(huán)境下進行。研究人員通過進一步的探究逐步發(fā)現(xiàn)了其中的機理并將其稱為壓電催化效應(yīng)。壓電材料在受到外部機械應(yīng)力作用時，會產(chǎn)生表面荷電效應(yīng)，形成極化電場，使電介質(zhì)極化。圖1-2表示了壓電材料在不同應(yīng)力作用下產(chǎn)生極化電荷的現(xiàn)象，無論是受到張力還是應(yīng)力都會使壓電材料內(nèi)部產(chǎn)生極化電荷，形成一個電場，這些壓電場的電勢能達幾十至幾百伏。在足夠的電勢作用下，部分自由電子和空穴會遷移至材料表面[3]，由于處在濕化學環(huán)境中，這些自由電荷會和溶解氧或有機染料等物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最終達到分解水產(chǎn)H2和暗場下降解有機物的目的。這就是目前被大部分學者所認可的壓電催化機理。圖1-2壓電材料在外部作用力下產(chǎn)生極化電荷的示意圖[4]。(a)無應(yīng)力；(b)受張力；(c)受壓力壓電催化發(fā)展初期，催化劑都局限于一維，二維材料[5,6]，因為這些材料在外部作用力下更容易發(fā)生形變而產(chǎn)生壓電場，進而能進行更高效的催化反應(yīng)。但近年來的許多成果將壓電催化劑的范圍擴展至三維復(fù)合材料[7,8]，其催化效率也在不斷的提高。而且也出現(xiàn)了壓電催化和光催化的協(xié)同催化[9,10]，壓電場能夠極大提高光生載流子的分離，進而使催化活性進一步提高。目前，大部分的研究方向還是集中于有機污染物的降解和分解水產(chǎn)H2，這也是光催化領(lǐng)域研究成果很多的領(lǐng)域，相信壓電催化和光催化的協(xié)同效應(yīng)會給該領(lǐng)域的進一步發(fā)展帶來新的機遇。
第一章緒論7有弱結(jié)合的結(jié)晶水或氫氧基團，這使得一些常用的物理表征手段失效，加大了對這種分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物的研究難度[42,43]。盡管鉍的堿式鹽各化合物的分子式不盡相同，但其中大部分都有著[Bi6Ox(OH)8-x](10-x)+的結(jié)構(gòu)，它是另外的一種陽離子[Bi6(OH)12]6+分子內(nèi)縮聚后的產(chǎn)物，后者普遍存在于Bi的鹽溶液中[44,45]。圖1-3展示了兩種具有這種結(jié)構(gòu)的復(fù)雜陽離子的模型，它們是由各種XRD數(shù)據(jù)分析計算得到的。還有少數(shù)鉍的堿式鹽并不具有上述的結(jié)構(gòu)，如Bi2O2(OH)(NO3)，[Bi6O6(OH)3](NO3)3·1.5H2O。不同種的鉍的堿式鹽之間還可以通過精確調(diào)控反應(yīng)溫度，反應(yīng)前驅(qū)體溶液的pH等條件來控制合成。如Bi(NO3)3·5H2O在NaOH水溶液中水解反應(yīng)的產(chǎn)物和溶液的pH是密切相關(guān)的，pH值在1.8~2.1時，產(chǎn)物是[Bi6O6(OH)](NO3)5·(2.5~3.0)H2O；在2.6~3.5時，得到[Bi6O6(OH)2](NO3)4·2H2O；而在pH大于3.5時，又得到[Bi6O6(OH)3](NO3)3·1.5H2O[46,47]。圖1-3兩種含Bi復(fù)雜離子的模型結(jié)構(gòu)[42]（a）[Bi6O4(OH)4]6+；（b）[Bi6O5(OH)3]5+鉍的堿式鹽這一大類化合物最早發(fā)現(xiàn)于2個世紀前，一直以來都是作為一種柔和的殺菌劑被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域[47]。進入21世紀后，才有學者將其引入光催化領(lǐng)域，但作為相對小眾的一種光催化材料，人們對其研究的并不太多。不同于大部分的鉍系半導(dǎo)體光催化劑，鉍的堿式鹽的禁帶寬度較大，純的鉍的堿式鹽只能在紫外光下實現(xiàn)光催化。Han[48]等人通過水熱法合成出了具有多層結(jié)構(gòu)的納米花狀Bi2O2(OH)(NO3)，其在紫外光下催化降解羅丹明B（RhB）的速率達到了P25的2.5倍。Yang[49]等人和Xie[50]等人都通過水熱法成功制備出了純的[Bi6O6(OH)3](NO3
【參考文獻】：
期刊論文
[1]MoSe2/ZnO/ZnSe復(fù)合物用于高效可見光催化還原Cr（Ⅵ）（英文）[J]. 任振興,劉心娟,諸葛志豪,宮銀燕,孫長慶. Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
[2]可見光鉍系光催化劑的研究進展[J]. 赫榮安,曹少文,周鵬,余家國. 催化學報. 2014(07)
[3]Photocatalytic degradation of benzene in gas phase by nanostructured BiPO4 catalysts[J]. Baihua Long,Jianhui Huang,Xinchen Wang. Progress in Natural Science:Materials International. 2012(06)
[4]Bi3.25La0.75Ti3O12納米線的可見光催化性能（英文）[J]. 林雪,呂鵬,關(guān)慶豐,李海波,李洪吉,蔡杰,鄒陽. 物理化學學報. 2012(08)
本文編號：3249304
【文章來源】：華南理工大學廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：83 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
光催化過程中的化學反應(yīng)光生電子和空穴在半導(dǎo)體材料表面發(fā)生的反應(yīng)如圖1-1所示
第一章緒論31.3以機械能驅(qū)動的催化反應(yīng)1.3.1壓電催化壓電催化最早可以追溯至1998年，日本學者發(fā)現(xiàn)了部分一元金屬氧化物在機械攪拌下能夠全分解水的現(xiàn)象[2]，值得注意的是反應(yīng)過程是在無光環(huán)境下進行。研究人員通過進一步的探究逐步發(fā)現(xiàn)了其中的機理并將其稱為壓電催化效應(yīng)。壓電材料在受到外部機械應(yīng)力作用時，會產(chǎn)生表面荷電效應(yīng)，形成極化電場，使電介質(zhì)極化。圖1-2表示了壓電材料在不同應(yīng)力作用下產(chǎn)生極化電荷的現(xiàn)象，無論是受到張力還是應(yīng)力都會使壓電材料內(nèi)部產(chǎn)生極化電荷，形成一個電場，這些壓電場的電勢能達幾十至幾百伏。在足夠的電勢作用下，部分自由電子和空穴會遷移至材料表面[3]，由于處在濕化學環(huán)境中，這些自由電荷會和溶解氧或有機染料等物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最終達到分解水產(chǎn)H2和暗場下降解有機物的目的。這就是目前被大部分學者所認可的壓電催化機理。圖1-2壓電材料在外部作用力下產(chǎn)生極化電荷的示意圖[4]。(a)無應(yīng)力；(b)受張力；(c)受壓力壓電催化發(fā)展初期，催化劑都局限于一維，二維材料[5,6]，因為這些材料在外部作用力下更容易發(fā)生形變而產(chǎn)生壓電場，進而能進行更高效的催化反應(yīng)。但近年來的許多成果將壓電催化劑的范圍擴展至三維復(fù)合材料[7,8]，其催化效率也在不斷的提高。而且也出現(xiàn)了壓電催化和光催化的協(xié)同催化[9,10]，壓電場能夠極大提高光生載流子的分離，進而使催化活性進一步提高。目前，大部分的研究方向還是集中于有機污染物的降解和分解水產(chǎn)H2，這也是光催化領(lǐng)域研究成果很多的領(lǐng)域，相信壓電催化和光催化的協(xié)同效應(yīng)會給該領(lǐng)域的進一步發(fā)展帶來新的機遇。
第一章緒論7有弱結(jié)合的結(jié)晶水或氫氧基團，這使得一些常用的物理表征手段失效，加大了對這種分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物的研究難度[42,43]。盡管鉍的堿式鹽各化合物的分子式不盡相同，但其中大部分都有著[Bi6Ox(OH)8-x](10-x)+的結(jié)構(gòu)，它是另外的一種陽離子[Bi6(OH)12]6+分子內(nèi)縮聚后的產(chǎn)物，后者普遍存在于Bi的鹽溶液中[44,45]。圖1-3展示了兩種具有這種結(jié)構(gòu)的復(fù)雜陽離子的模型，它們是由各種XRD數(shù)據(jù)分析計算得到的。還有少數(shù)鉍的堿式鹽并不具有上述的結(jié)構(gòu)，如Bi2O2(OH)(NO3)，[Bi6O6(OH)3](NO3)3·1.5H2O。不同種的鉍的堿式鹽之間還可以通過精確調(diào)控反應(yīng)溫度，反應(yīng)前驅(qū)體溶液的pH等條件來控制合成。如Bi(NO3)3·5H2O在NaOH水溶液中水解反應(yīng)的產(chǎn)物和溶液的pH是密切相關(guān)的，pH值在1.8~2.1時，產(chǎn)物是[Bi6O6(OH)](NO3)5·(2.5~3.0)H2O；在2.6~3.5時，得到[Bi6O6(OH)2](NO3)4·2H2O；而在pH大于3.5時，又得到[Bi6O6(OH)3](NO3)3·1.5H2O[46,47]。圖1-3兩種含Bi復(fù)雜離子的模型結(jié)構(gòu)[42]（a）[Bi6O4(OH)4]6+；（b）[Bi6O5(OH)3]5+鉍的堿式鹽這一大類化合物最早發(fā)現(xiàn)于2個世紀前，一直以來都是作為一種柔和的殺菌劑被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域[47]。進入21世紀后，才有學者將其引入光催化領(lǐng)域，但作為相對小眾的一種光催化材料，人們對其研究的并不太多。不同于大部分的鉍系半導(dǎo)體光催化劑，鉍的堿式鹽的禁帶寬度較大，純的鉍的堿式鹽只能在紫外光下實現(xiàn)光催化。Han[48]等人通過水熱法合成出了具有多層結(jié)構(gòu)的納米花狀Bi2O2(OH)(NO3)，其在紫外光下催化降解羅丹明B（RhB）的速率達到了P25的2.5倍。Yang[49]等人和Xie[50]等人都通過水熱法成功制備出了純的[Bi6O6(OH)3](NO3
【參考文獻】：
期刊論文
[1]MoSe2/ZnO/ZnSe復(fù)合物用于高效可見光催化還原Cr（Ⅵ）（英文）[J]. 任振興,劉心娟,諸葛志豪,宮銀燕,孫長慶. Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
[2]可見光鉍系光催化劑的研究進展[J]. 赫榮安,曹少文,周鵬,余家國. 催化學報. 2014(07)
[3]Photocatalytic degradation of benzene in gas phase by nanostructured BiPO4 catalysts[J]. Baihua Long,Jianhui Huang,Xinchen Wang. Progress in Natural Science:Materials International. 2012(06)
[4]Bi3.25La0.75Ti3O12納米線的可見光催化性能（英文）[J]. 林雪,呂鵬,關(guān)慶豐,李海波,李洪吉,蔡杰,鄒陽. 物理化學學報. 2012(08)
本文編號：3249304
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/huaxue/3249304.html
最近更新
教材專著
