新型层状铋系化合物光催化性能的研究

发布时间：2019-05-06 15:17

【摘要】：由于半导体光催化剂可以被应用到治理工业污染,故对有效改善能源与环境等问题有重要的意义。虽然二氧化钛作为半导体光催化剂的代表已经受到了广泛的研究,但是其宽带隙和载流子易复合的缺陷抑制了进一步使用,所以开发新型高效光催化成为了必然趋势。铋系化合物由于其独特的电子结构和平整的层状形貌在光响应方面较其他催化剂而言有更大的优势且容易制备。铋系化合物不但结构有益于催化反应的进行,并且Bi的6s电子与O的2p态电子轨道杂化提供了较为合适的带隙宽度和分散的价带结构,有效地抑制了光生载流子复合。铋系化合物的制备方法简易快捷、反应迅速稳定,是有潜力的光催化材料。关于层状铋系化合物的开发,本文通过温和的一步水热法成功制备了金属铅离子参与修饰的铋系化合物Bi202(BO20H),形成新的化合物Bi2xPbxOO(BC2OH)。通过X射线衍射谱,X射线电子能谱等表征手段,判定出铅已经成功进入原有硼酸氧铋的晶格中,且没有改变晶格结构,属于替位式掺杂。实验表明,铅的存在使硼酸氧铋Bi2O2(BO2OH)随机排列的层状形貌堆叠修改成纳米球,投料的不同摩尔比对最终产物的形貌差异不大,但最终产物表现出的光催化降解模拟污染物罗丹明的效率不同。其中铋和铅的投料比在1.5/0.5的情况下经测定表现出最优光催化效率:比P25高约30%。铅修饰能提高载流子寿命使由于铅杂质能级捕获空穴,降低了光生电子和空穴的复合率;通过密度泛函理论计算得知铅的6p态电子与半导体Bi2O2(BO2OH)中Bi的6s 6p电子和O的2s态电子发生杂化,改变了费米能级附近的电子态密度分布,使费米能级向导带的位置移动,从而降低了能带间隙,拓宽了硼酸氧铋对光波长的响应范围,增强了催化剂对光能的利用率,是以上两方面提升了催化活性。所以,硼酸氧铋作为一种新型的层状化合物,以延长载流子寿命的方法提升了光催化活性。此外,针对铋系层状化合物形成复合的光催化材料也是通过一步水热法,成功制备了含有不同碘酸铋质量分数的碘酸铋与硼酸氧铋BiIO4/Bi2O2(BO2OH)的异质结型光催化材料。X射线衍射图谱证明了最终样品的确是由碘酸铋和硼酸氧铋这两个组分共同构成的。实验上首先制备了含不同质量分数的碘酸铋形成的复合材料,经测定性质表明含有质量分数35%的碘酸铋时形成的复合结构最具光催化活性。其次,本文还实现了不同pH制备环境下的35%碘酸秘/硼酸氧铋复合材料形貌和光催化性能的比较,发现在pH等于7时的样品具有最高的反应活性。通过复合,在制备条件为pH等于7条件下,35%碘酸铋/硼酸氧铋复合材料的光学吸收带隙缩短至2.68 eV,,比两个不同组分的材料具有更长的光波长响应范围,从增加光能利用率的角度提升了光催化降解罗丹明溶液的效率。除了降低光学吸收带隙宽度,硼酸氧铋和碘酸铋中的IO-3和(BO2OH)2-阴离子独特的极性结构有效延长了载流子的寿命,促使降解反应得以长期有效地进行。阴离子基团B03在晶格中各个原子相互作用下(主要是库伦相互作用)被歪曲成非平面的,具有非对称结构的基团,从而形成了晶格内部极化场,使得光生电子和光生空穴能在电场作用下定向移动,有效分离;复合结构中的IO-3在c轴方向自发极化,协同沿c轴极化的(BO2OH)2-,增强了内部极化场的场强,利于光生载流子迁移,有效促进了电子空穴对的分离,使复合材料具有显著的光催化活性。
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【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;O644.1

【参考文献】