發(fā)布時間：2018-04-16 10:02

  本文選題：鈮酸鉀 + 窄帶隙鈣鈦礦��； 參考：《華東師范大學》2017年博士論文

【摘要】：由于在太陽能光電轉換和光催化中的應用前景,鈣鈦礦材料在最近幾年中受到了研究者的廣泛關注�；贑H_3NH_3PbI_3等有機-無機雜化鈣鈦礦材料的新型太陽能電池,效率從2009最初報道的3.8%飛速提高到2017年的超過20%,成為光伏研究領域中的熱點。但由于CH_3NH_3PbI_3中含有有毒元素鉛,并且存在比較嚴重的穩(wěn)定性問題,基于CH_3NH_3PbI_3的太陽能電池的實際應用受到嚴重限制。而鈣鈦礦氧化物通常具有很好的物理、化學穩(wěn)定性,尋找具有良好的光電轉換性能、可用于鈣鈦礦光伏應用的鈣鈦礦氧化物,可能為克服CH_3NH_3PbI_3鈣鈦礦太陽能電池的缺點提供一個解決方案,基于鈣鈦礦氧化物的太陽能電池的研究也是當前材料研究中的一個重要方向。此外,鈣鈦礦氧化物在光催化產氫和光催化降解污染物方面的應用也需要研究者尋找具有良好光吸收性質的鈣鈦礦材料。調控鈣鈦礦氧化物的光學帶隙,提高鈣欽礦氧化物的可見光吸收性能,是尋找適合用于鈣鈦礦光伏和光催化應用的材料重要前提。理論研究表明,對鈣鈦礦材料進行B位摻雜可以調控其帶隙,研究者在雙鈣鈦礦材料Bi2FeCrO6和鈣鈦礦-雙鈣鈦礦固溶體體系[KNbO_3]1-x[BaNi1/2Nb1/2O_3-δ]x中均實現(xiàn)了鈣鈦礦氧化物帶隙調控,并測試了其在鈣鈦礦光伏中的應用。本論文在這些工作的基礎上,以鈮酸鉀為基本研究對象,研究了 Ni、Fe和Co等不同過渡金屬離子摻雜在鈮酸鉀鈣鈦礦-雙鈣鈦礦體系中對鈮酸鉀光學帶隙的調節(jié)效果。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點包括以下幾點:一、采用溶膠凝膠法在較低的燒結溫度下制備了鋇、鎳共摻雜的鈮酸鉀,研究了其晶體結構轉變和光吸收性質,并將其應用于可見光光催化降解有機染料。(a)采用溶膠凝膠法成功合成了鋇、鎳共摻雜的鈮酸鉀鈣鈦礦多元金屬氧化物,燒結溫度為700℃,與固相反應法所需的1100℃燒結溫度相比大幅降低。(b)確定了鋇、鎳共摻雜的鈮酸鉀的帶隙約為3.1 eV,與未摻雜的鈮酸鉀相比僅降低了約0.2 eV,但由于B位摻雜的Ni2+離子在Nb06氧八面體晶體場中的能級分裂引入了中間能級,導致?lián)诫s樣品的吸收光譜中出現(xiàn)了位于可見光區(qū)和近紅外區(qū)域的光學吸收峰,根據吸收光譜的結果推測得到了鋇、鎳共摻雜的鈮酸鉀可能的能級結構。(c)鋇、鎳共摻雜的鈮酸鉀的可見光光催化降解亞甲基藍實驗顯示,x=0.2的摻雜樣品具有最高的可見光光催化活性,其光催化活性比未摻雜鈮酸鉀提高了約5倍。二、制備了鋇、鐵共摻雜的鈮酸鉀,研究了其晶體結構轉變、光吸收性質和磁性,并詳細研究了其能帶結構,測試了其在可見光光解水中的應用。(a)摻雜元素的引入使得采用溶膠凝膠法制備的鋇、鐵共摻雜的鈮酸鉀發(fā)生了與鋇、鎳共摻雜鈮酸鉀類似的從正交到立方的晶體結構轉變。(b)摻雜可以降低鈮酸鉀的帶隙,根據摻雜比例的不同,樣品的光學帶隙值最低可以降至2.41 eV。(c)紫外光電子能譜分析結果表明摻雜使得樣品的導帶價帶位置同時下降,且鋇、鐵共摻雜的鈮酸鉀樣品的帶隙減少主要是由導帶位置下降貢獻的。但由于摻雜樣品的價帶和導帶沒有跨越水的氧化電位和還原電位,摻雜樣品僅具有較弱的可見光光解水活性。(d)摻雜使得鈮酸鉀由抗磁性轉變?yōu)殍F磁性,摻雜樣品中鐵磁性的來源可以用束縛磁極化子(BMP)理論解釋。三、制備了鋇、鈷共摻雜的鈮酸鉀,研究了其晶體結構轉變、吸收光譜和光學帶隙,并提出了其可能的能帶結構。(a)前驅體中鈷源的選擇對樣品的制備有較大的影響。實驗發(fā)現(xiàn)選擇硝酸鈷作為鈷源制備前驅體,在800℃下燒結退火可以制備Co3+摻雜的鋇、鈷共摻雜的鈮酸鉀鈣鈦礦氧化物。(b)鋇、鈷共摻雜可以使鈮酸鉀發(fā)生從正交結構到立方結構的晶體結構轉變,并且使鈮酸鉀具備良好的可見光和紅外吸收性能,光學帶隙從3.2 eV下降到2.45 eV。(c)鋇、鈷共摻雜的鈮酸鉀同時還具有1.3 eV和0.7 eV兩個亞帶隙,導致了其對可見光和紅外光的強烈吸收。鋇、鈷共摻雜的鈮酸鉀的優(yōu)良光吸收特性可能在鈣鈦礦光伏、光電器件以及鈣鈦礦氧化物光催化中具有潛在應用價值。四、采用第一性原理計算的方法,計算了鈮酸鉀能級結構。利用第一性原理,計算了正交結構的鈮酸鉀的電子能態(tài)密度,證實鈮酸鉀的導帶和價帶分別是由Nb 4d電子能級和O 2p電子能級組成的,并結合文獻中相關的第一性原理計算結果討論分析了鋇、鐵共摻雜的鈮酸鉀帶隙減小的可能原因。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O611;TM914.4

【參考文獻】

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本文編號：1758387