本文關鍵詞： 鉍基光催化材料 CO_2還原 裂解水 半導體 光催化性能　出處：《山東大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展,石油、煤炭等地下化石能源的消耗日益劇增,能源危機逐漸成為制約經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。另一方面,化石能源的消耗產生了嚴重的環(huán)境問題,如大氣和水資源的污染,溫室效應,霧霾等。為了應對這個能源危機及環(huán)境污染,全世界的科學家都在探索一條解決途徑。其中,半導體光催化作用是一個非常好的解決辦法。這個半導體光催化劑可以吸收太陽光來分解H2O產氫,也可以還原二氧化碳為有機碳資源(如甲烷,甲醇等)和降解有機污染物。光催化作用只是利用太陽光就能產生環(huán)境友好的清潔能源,又能解決日益嚴重的環(huán)境污染問題,自從1972年Fujishima通過利用二氧化鈦實現(xiàn)裂解水制氫以來,光催化作用逐漸被認為是非常有希望解決能源和環(huán)境問題的方法,目前,其領域已經(jīng)成為研究熱點,吸引了大量科學家的關注和研究。Ti02由于其具有優(yōu)良的物理穩(wěn)定性、無毒、價格低廉等優(yōu)點己成為最普遍研究的半導體光催化材料,但其是一種寬帶系半導體,只能利用占總太陽光不足5%的紫外光部分,這樣子就嚴重限制了太陽能的充分利用。因此需要探索新型的窄帶隙半導體光催化材料來充分的利用太陽能。鉍基半導體是一類新型的光催化材料。因其具有無毒、資源充足、價格低廉和大部分材料具有較窄的帶隙和層狀結構,而逐漸成為研究的熱點材料。較窄的帶隙可以吸收更多的太陽能用于光催化作用,而由(Bi_2O_2)~(2+)基本結構單元和層間各種客體離子層疊構成的三維層狀結構有利于電子和空穴的遷移,從而有效的抑制了光生載流子的復合。因此鉍基光催化材料能夠展現(xiàn)非常好的光催化性能。光催化劑的性能與半導體的材料的微觀結構、電子結構、晶體結構等存在著直接的聯(lián)系。例如,不同的形貌、顆粒的組裝形式、顆粒尺寸的大小等會產生不同的比表面積,暴露不同的活性面和不同數(shù)量的活性反應位點,從而導致不同的光催化性能。另外,光催化劑的研究還應考慮其回收和循環(huán)利用的問題。目前,光催化劑普遍為粉體,當他們使用以后,其回收利用是一個非常大的挑戰(zhàn)。本論文從材料的結構調整和回收利用兩個方面入手,實現(xiàn)了鉍基光催化劑性能的提高和簡潔的回收利用。本論文的研究工作共包括如下4個內容:第一章通過一步水熱法,成功將BiOX(Cl,Br)生長到經(jīng)硝酸處理后的活性碳纖維(ACF)表面。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡研究了其形貌和確認了 BiOX(Cl,Br)牢固的均勻的生長在活性碳纖維的表面。通過傅里葉變換紅外光譜和zeta電位測試確認了 BiOX(Cl,Br)固定在ACF表面是通過物理吸附作用,并且提出了它的可能生長機理。選用羅丹明b(RhB)溶液作為有機污染物,在紫外-可見全光譜照射下研究了 BiOX(Cl,Br)/ACF的光催化性能,并且通過5次循環(huán)證實了BiOX(Cl,Br)/ACF具有方便的回收和良好的循環(huán)性能。此外由于ACF具有類似與金屬的良好的導電性能,我們提出了一個BiOX(Cl,Br)/ACF的降解機理。第二章合成了硫摻雜的BiOCl,通過XRD和Raman光譜我們發(fā)現(xiàn)硫的摻雜并沒有形成其它的雜質相。通過DRS,我們發(fā)現(xiàn)硫的摻雜引起了 BiOCl帶隙的縮小,相應的能帶結構計算發(fā)現(xiàn)在BiOCl的價帶上方形成了雜質態(tài),由于雜質態(tài)的存在導致了帶隙的變窄。另外通過形成能的計算,我們確認了硫取代的位置在Cl位。態(tài)密度計算說明了硫摻雜之后,形成的雜質態(tài)是比較離域的,這個非常有利于載流子傳輸?shù)桨雽w的表面提升光催化活性。在紫外-可見全光譜照射下,我們研究了 BiOCl和硫摻雜的BiOCl的光催化性能;結合實驗和理論結果,研究了硫摻雜的BiOCl光催化性能提高的機理。三價鈰摻雜BiVO_4(Ce-BiVO_4)的結構表征和產氧性能的研究。首先通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡的EDS測試確定了鈰元素的存在。其次通過XRD和Raman光譜的表征,我們確認了三價鈰的摻雜,并沒有引起B(yǎng)iVO_4的晶體結構的變化,完美的保持了單斜結構。通過XPS確定了摻雜進BiVO_4的鈰元素是三價。在紫外-可見全光譜和純可見光照射下,我們研究了 BiVO_4和Ce-BiVO_4的光催化產氧性能。通過理論的計算,我們發(fā)現(xiàn)鈰摻雜后,會在緊靠BiVO_4價帶的上方形成一個雜質態(tài),此雜質態(tài)能夠起到捕獲空穴的作用,從而到達有效分離光生載流子的作用�；趯嶒灪屠碚摻Y果研究,認為Ce的引進是Ce-BiVO_4光催化性能提高的原因。第三章合成BiOI超薄層結構。通過SEM和TEM測試確定了其超薄層結構。超薄層展示了量子尺寸效應,通過DRS,可以看出BiOI超薄層的帶隙明顯擴寬,這個可以增強光生空穴的氧化能力。在可見光照射下,我們研究了其對RhB的降解性能和LED燈照射下的殺菌性能。采用一步水熱法成功的將具有量子尺寸效應的Bi_2WO_6納米顆粒組裝成三維空心結構。此三維結構保持了納米顆粒的量子尺寸效應。通過DRS,可以看出三維空心結構的Bi_2WO_6吸收邊明顯的藍移。研究了Bi_2WO_6的CO_2吸附能力和探索了其光催化還原CO_2的能力�；趯嶒炑芯�,我們探索了其光催化CO_2還原的機理。第四章是探索了一種新的BiVO組分的化合物Bi_4V_2O_(11)的光催化產氧性能。通過態(tài)密度和能帶結構計算,我們研究了 Bi_4V_2O_(11)的導帶和價帶組成成分和帶隙的大小。通過物理計算研究了 Bi_4V_2O_(11)的電子結構,確認了其結構中具有剩余偶極矩,且方向是順著層的方向(即c軸的方向)。在紫外-可見全光譜照射下,我們研究了 Bi_4V_2O_(11)的光催化產氧性能。此工作進一步探索了我組提出的光照下內建電場能夠促進光生電子和空穴分離的機理。
[Abstract]:In order to solve the problem of energy crisis and environmental pollution , it is a very good solution to solve the problem of energy crisis and environmental pollution . The photocatalytic properties of BiOX ( Cl , Br ) / ACF were studied by means of Fourier transform infrared spectroscopy and zeta potential test . The mechanism of photocatalytic CO _ 2 reduction was explored . In chapter 4 , the photocatalytic activity of Bi _ 4V _ 2O _ ( 11 ) was investigated . The structure of Bi _ 4V _ 2O _ ( 11 ) was investigated by means of physical calculation . The photocatalytic activity of Bi _ 4V _ 2O _ ( 11 ) was confirmed .

【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 閆世成;羅文俊;李朝升;鄒志剛;;新型光催化材料探索和研究進展[J];中國材料進展;2010年01期

2 李袁慶;楊松戀;王成君;;光催化材料近期研究進展[J];科技風;2013年15期

3 ;中科院金屬所新型單質光催化材料研究取得進展[J];中國材料進展;2013年08期

4 ;中科院金屬所新型單質光催化材料研究取得進展[J];功能材料信息;2013年04期

5 劉然,薛向欣,楊合,姜濤,董學文;光催化材料在環(huán)保領域中的應用進展[J];能源環(huán)境保護;2004年04期

6 張萬忠;喬學亮;邱小林;陳建國;;二氧化鈦基光催化材料的制備與應用[J];化學試劑;2006年09期

7 陶紅;劉靜;郝思秋;王璐;羅潔瑩;張宇然;黃婷婷;;去除水中雙酚A的新型微介孔光催化材料的性能研究[J];水資源與水工程學報;2009年03期

8 白雪;李永利;;銀系光催化材料的新進展[J];硅酸鹽通報;2012年01期

9 張騫;周瑩;張釗;何云;陳永東;林元華;;表面等離子體光催化材料[J];化學進展;2013年12期

10 李萍;鐘順和;;光催化材料Cu/Fe_2O_3-TiO_2的結構和性能[J];應用化學;2006年06期

相關會議論文 前10條

1 鄒志剛;;光催化材料探索和研究進展[A];第七屆中國功能材料及其應用學術會議論文集（第1分冊）[C];2010年

2 黃柏標;;增強光催化材料可見光響應和活性的新探索[A];第十三屆全國太陽能光化學與光催化學術會議學術論文集[C];2012年

3 鄒志剛;;光催化材料與太陽能轉換和環(huán)境凈化[A];2008全國功能材料科技與產業(yè)高層論壇論文集[C];2008年

4 王文中;尚萌;徐婕慧;張志潔;;鉍基光催化材料的設計、合成與環(huán)境凈化[A];第十二屆固態(tài)化學與無機合成學術會議論文摘要集[C];2012年

5 王文中;張玲;孫松美;高二平;;鉍基光催化材料的設計、調控與性能[A];第十三屆全國太陽能光化學與光催化學術會議學術論文集[C];2012年

6 范曉蕓;賈漢忠;王傳義;;雙摻雜Cu,N-TiO_2光催化材料的合成及性能表征[A];第六屆全國環(huán)境化學大會暨環(huán)境科學儀器與分析儀器展覽會摘要集[C];2011年

7 鄧春蓮;朱成磊;黃爭世;劉斌;史海峰;;銀系光催化材料的制備及有機物降解性能的研究[A];魯豫贛黑蘇五省光學（激光）學會2011學術年會論文摘要集[C];2011年

8 董升;代數(shù)通;劉景海;段莉梅;;復合光催化材料的制備及其對藏紅T溶液降解效果的研究[A];中國化學會第五屆全國多酸化學學術研討會論文摘要集[C];2013年

9 付宏剛;田國輝;周衛(wèi);曲陽;田春貴;蔣保江;;氧化物半導體基光催化材料的結構調控[A];中國化學會第六屆全國結構化學學術會議論文摘要[C];2012年

10 付宏剛;田國輝;周衛(wèi);曲陽;田春貴;蔣保江;;氧化物半導體基光催化材料的結構調控及性能研究[A];第十三屆全國太陽能光化學與光催化學術會議學術論文集[C];2012年

相關重要報紙文章 前5條

1 李曉巖;光催化材料及應用分會成立[N];中國化工報;2008年

2 記者 李志清;“和諧科技”研發(fā)光催化材料 找到大市場[N];紹興日報;2011年

3 記者 桂運安;中科大研制出新一代空氣凈化器[N];安徽日報;2014年

4 本報實習記者胡珉琦;上海交大研制人造樹葉[N];北京科技報;2010年

5 本報記者 焦旭;科技創(chuàng)新給光伏產業(yè)帶來發(fā)展的正能量[N];中國能源報;2012年

相關博士學位論文 前10條

1 宋艷華;g-C_3N_4復合光催化材料的設計合成及其光催化性能研究[D];江蘇大學;2015年

2 顧少楠;稀土離子改性釩酸鉍可見光催化材料的合成及機理研究[D];北京科技大學;2016年

3 何運慧;Sn_3O_4基光催化材料的控制合成及性能研究[D];福州大學;2014年

4 劉丁菡;Bi_2WO_6-C復合光催化材料的制備、結構及性能研究[D];陜西科技大學;2016年

5 馬成海;鉬/聚酰亞胺復合光催化材料的納米構筑及性能研究[D];南京大學;2016年

6 林立;新型鹵氧化鉍基光催化劑制備及其污染物去除性能的研究[D];東華大學;2016年

7 牛莽;二氧化鈦光催化性能調控的理論研究[D];北京化工大學;2015年

8 楊勇強;具有高光生電荷分離能力的氧化物基光催化材料的構建[D];中國科學技術大學;2016年

9 薛金娟;基于貴金屬的復合光催化材料的制備及其性能研究[D];東南大學;2016年

10 Ammara Riaz;二氧化鈦基光催化材料的可控制備及表征[D];浙江大學;2016年

相關碩士學位論文 前10條

1 董晨浩;可見光響應介孔銀基固溶體的制備與表征[D];內蒙古大學;2015年

2 胡丹;分子印跡型TiO_2光催化材料的制備及其在超濾膜上的負載處理廢水性能的研究[D];長安大學;2015年

3 何隨;非金屬摻雜介孔TiO_2光催化材料的可控制備及其性能研究[D];山東大學;2015年

4 李柱杰;新型近紅外光催化材料Cu_2(OH)PO_4電子結構和相關性質的理論研究[D];山東大學;2015年

5 徐連敬;液體陰極輝光放電系統(tǒng)的光譜特性及應用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

6 洪元琛;氧化石墨烯基Z型光催化材料的研究[D];上海電力學院;2015年

7 胡建強;多組分硫化鎘基異質結光催化材料的可控合成及其在光解水產氫中的應用研究[D];溫州大學;2015年

8 王丹;TiO_2基復合光催化材料的設計制備及光催化降解氣相碳氫污染物的研究[D];河南師范大學;2015年

9 高文文;多硫化銦及其復合寬譜光催化材料的制備與應用[D];齊魯工業(yè)大學;2015年

10 王傳寧;Aurivillius型鉍基光催化材料的制備與性能研究[D];南昌大學;2015年

，

本文編號：1488663