钒酸铋（0k0）单晶薄膜的制备以及光物理光催化性能

发布时间：2020-05-07 02:57

【摘要】：随着社会的发展,能源紧缺、环境污染问题日益加剧,寻求一种新型清洁能源成为现今研究的热点。使用光催化剂作为媒介产生可持续清洁能源,对污染物进行高效降解成为现在的主要研究课题之一。光催化剂TiO_2具有廉价、无毒、化学性能稳定等优点受到研究者的广泛关注,但存在光学带隙大,光生电子-空穴复合率高,只能吸收太阳光中的紫外部分等缺点。而可见光部分占太阳能量的比重大,如何构建高效可见光响应催化剂成为主要的研究方向。目前主要有两方面研究,一方面对二氧化钛进行掺杂改性拓宽其光吸收范围,另一方面寻求新型光学带隙适宜的光催化剂。新型铋系层状钙钛矿结构的铁电材料具有很多优异的性能,如铁电、介电性能优异、抗疲劳性、不含铅基、对环境友好,并且在薄膜电容、电光器件等方面也有很多应用,并且大多数具有良好的可见光响应。钒酸铋作为一种铋系层状类钙钛矿材料受到研究者的广泛关注。目前对于钒酸铋粉体的研究已经取得了很多成果:1、可以通过多种制备方法获得不同晶粒大小、结构、形貌的样品,2、有无表面活性剂对样品的结构和光催化性能的影响,3、对光催化剂进行改性(金属/金属离子、非金属离子、与其它半导体复合构建异质结等)研究。尽管基于粉体研究已经涉及到多方面,但对其机理上的研究还存在一些模糊的地方,如无法详细说明光生载流子在不同晶面上的来源、分布以及钒酸铋薄膜在衬底上的生长过程。基于以上原因,本文通过PLD技术制备出具有特定晶面的薄膜,并对其生长机制以及光催化性能做了详细研究。本文以钒酸铋(0k0)薄膜为研究对象,利用脉冲激光沉积技术,采用晶格匹配度最高的YSZ(001)作为衬底,通过控制衬底温度、靶材、沉积时间等条件制备出一系列薄膜样品,并对所制备的样品进行了详细的光物理和光催化性能研究。主要有以下研究内容:(1)采用脉冲激光沉积技术,在YSZ(001)衬底上成功沉积出单斜白钨矿结构钒酸铋外延薄膜。主要制备出以下变量参数样品:1、衬底温度,2、靶材,3、沉积时间。(2)对制备的一系列薄膜样品进行XRD、AFM、Raman等表征。发现随着衬底温度的升高,在YSZ(001)上沉积的钒酸铋薄膜逐渐接近化学计量比1:1。当衬底温度为680~oC,靶材为6:1时,可以稳定制备出纯相(0k0)薄膜,同时分析了变温过程中样品的组分变化。(3)对在不同衬底温度下制备的样品进行光催化性能测试,以罗丹明B(10mg/L)为目标降解物,在距样品15cm处,用300W氙灯照射样品,沉积温度为680~oC的样品光催化降解效果最好,降解速率为16.4*10~(-3)min~(-1)。对样品进行表征得出:在形貌上晶粒均匀平滑,晶界区分明显,小尺寸晶核数量较少,从XPS上得出在10-18eV之间的深能级与之前钒酸铋在石英衬底上沉积的多晶样品相比有明显改变。探究了铌酸银原位还原银纳米颗粒与钒酸铋薄膜光沉积银的对比实验。(4)通过改变不同的沉积时间制备出一系列样品,用原子力显微镜对样品进行扫描得出,薄膜生长模式为三维岛状生长,样品随着沉积时间的推移晶核会不断长大,当纵向生长到200nm左右会保持稳定,横向持续生长,将制样时间延长到60min,横向生长并没有无限生长下去,最后仍然没有得到连续膜。
【图文】：

光催化,基本原理,半导体光催化剂

第一章绪论化半导体简介催化原理的本质是半导体光催化剂在光照下，当入射光能量大于等于转化为化学能，同时产生具有强还原性和氧化性的光生电子发生氧化还原反应，实现光降解过程。半导体光催化剂的基，，即半导体材料的能带是不连续的，由一个充满电子的低能（CB）构成，价带和导带之间存在一个没有电子的禁带区差用 Eg来表示[1-4],如图 1-1。光催化剂原理大致分为以下几

谱图,钒酸铋,样品,晶面

结果如图3-1。图中所示分别为在衬底温度为 550oC、600oC、660oC、680oC、700oC 的样品谱图。从图中可以看出，从 550oC 到 700oC 样品的峰位以及峰强都在改变。图 3-2 为不同靶材条件下制备的样品。图中的 XRD 衍射峰强都以 log 指数形式显示。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB383.2

【参考文献】