基于铋系半导体的新型光催化剂的设计、制备及其性能研究

发布时间：2017-11-10 06:14

  本文关键词：基于铋系半导体的新型光催化剂的设计、制备及其性能研究

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【摘要】：自从人们发现氧化物半导体二氧化钛具有光催化性能以来,越来越多的半导体被观察到具有光催化性能,而且,光催化也成为一种研究半导体内载流子行为的重要手段。在众多的半导体光催化剂中,铋系半导体因为可以响应可见光、抗光腐蚀能力强、对生物无毒、对环境无污染等优点而受到广泛重视。然而,它们对可见光的利用率较低、电子空穴对复合率较高以及量子效率较低等缺点限制了在实际中的应用。本论文针对铋系半导体材料作为光催化剂所存在的问题,以BiVO_4、Bi_2WO_6和Bi_2O_3为主要研究对象,通过材料复合和元素掺杂等方法,试图提高它们的可见光利用率和量子效率,降低载流子的复合率,并研究了载流子在其内部的分离和输运机制。主要的研究内容和实验结果如下:1.通过简单的溶剂热法制备了病毒状BiVO_4/Bi_2WO_6复合物、纯BiVO_4和Bi_2WO_6纳米颗粒,系统分析了BiVO_4摩尔量对复合物的结构和光催化性能的影响。实验结果表明,BiVO_4摩尔百分数为50%的复合物呈现最优的光催化性能。可见光照射60 min后,溶液中罗丹明B的分解率达到了91%。通过对BiVO_4/Bi_2WO_6复合物的结构、紫外漫反射光谱以及光降解过程的分析我们发现,光致界面电荷转移对光生载流子的分离和输运起到了关键作用,提高了对可见光的利用率,并在一定程度上降低了载流子的复合率,进而改善了光催化性能。2.采用成本低廉、环境友好的超声分散方法制备了N掺杂Bi_2O_3/g-C_3N_4复合物,通过改变前驱物中g-C_3N_4的浓度,系统分析了g-C_3N_4含量对复合物光催化性能的影响。实验结果表明,N掺杂Bi_2O_3被g-C_3N_4薄层包覆,当g-C_3N_4的质量分数为66.7%时,复合物表现出最佳的光催化性能,溶液中的罗丹明B在可见光照射15 min后分解率达到了94.4%,分别是纯g-C_3N_4的4.6倍和纯Bi_2O_3的8.2倍。光催化性能的提高是由于复合物对可见光吸收的增强以及其中的Bi_2O_3纳米颗粒与g-C_3N_4包覆层的协同效应。3.利用简单的水热法一步合成了球状Bi_2O_3/a-Fe_2O_3复合物。通过改变前驱物中硝酸铁的浓度,系统地分析了a-Fe_2O_3的含量对复合物结构和光催化性能的影响。实验结果表明,Bi_2O_3/a-Fe_2O_3复合物是纳米颗粒构成的介孔球,其光催化性能相对于纯Bi_2O_3和纯a-Fe_2O_3有很大的提升。当a-Fe_2O_3的摩尔百分数为30%时,Bi_2O_3/a-Fe_2O_3复合物的光催化性能最佳,溶液中的罗丹明B在可见光照射60 min后分解率超过了95%。光催化性能的改善一方面是由于与a-Fe_2O_3的复合增强了Bi_2O_3对可见光的吸收,另一方面是由于在Bi_2O_3和a-Fe_2O_3之间形成了异质结等特定的载流子输运结构,提高了载流子的分离率。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36

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本文编号：1165410