改性氧化铋的制备及其光催化性能的研究
发布时间：2021-04-11 14:11
氧化铋（Bi2O3）是一种重要的半导体材料,因其具有较低的价带位置和可见光响应而被认为是新一代极具应用前景的半导体催化材料。但Bi2O3光生电子与空穴的高复合率限制了其在光催化领域的实际应用。因此对Bi2O3进行改性成为当下研究热点。掺杂是一种被广泛采用的改变材料物理性质、载流子传输的方法。考虑到稀土元素丰富的能级结构及独特性能,本论文选择稀土镧和铈对Bi2O3进行改性研究。通过利用稀土元素独特的电子结构来改善光催化剂表面的活性物种,增强其光催化性能。本文的主要研究内容如下:1.以柠檬酸为络合剂,采用溶胶凝胶法制备了纯相Bi2O3以及不同La掺杂比例的光催化剂。XRD结果显示少量的La3+掺入没有改变Bi2O3晶型。采用紫外可见漫反射吸收光谱确定了材料的禁带宽度。通过对X射线光电子能谱（XPS）分析得出La3+的掺杂可以在Bi2O3表面产生一定的氧空位（OVs）,并通过电子自旋共振技术（ESR）技术得以确认。通过氧的程序升温脱附实验证明催化剂表面吸附了一定的氧。以甲基橙和苯酚作为目的污染物研究了La–Bi2O3的光催化活性。结果表明,La的掺杂提高了催化剂的光催化能力,其中,2%La–...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化的机理Fig.1.1Mechanismofphotocatalysis（1）在可见光照射下，光催化剂只要满足Eg小于或等于入射光的能量，价带上的
Ｎ孪挛??黄色粉体材料，加热时呈橙色，继续加热呈红棕色，冷却后又变回淡黄色[14]。氧化铋的禁带宽度为2.0–3.9eV[15]，能够利用可见太阳光，受激发后可产生活性物种对污染物进行催化降解。据ChemicalReview报道[16]，Bi2O3共有六种晶型，即：单斜相α–Bi2O3、介稳态四方相β–Bi2O3、体心立方相γ–Bi2O3、面心立方相δ–Bi2O3、正交晶相ε–Bi2O3以及三角晶相ω–Bi2O3。通常情况下主要以α、β、γ、δ这四种晶相存在，而ε和ω这两种晶相通常无法单独稳定存在，目前有关它们的报道还很少。常见几种晶相相互转化关系如图1.2所示。图1.2氧化铋各晶相的相互转化Fig.1.2Ttransformationofbismuthoxidecrystalphases如上图所示，在不同温度下，Bi2O3的各晶相间可发生相互转化。常温下，最稳定的是α–Bi2O3，其能隙为2.85eV[17]，为层状结构，当热处理温度达到730℃时转化为δ–Bi2O3，并一直保持到825℃才熔化。δ–Bi2O3中不规则的分布着氧空位，由于其中高流动性的氧离子，所以会表现出具有高离子导电性的相态。δ–Bi2O3降温过程中的相变发生滞后现象，转化成两种亚稳相，即β–Bi2O3和γ–Bi2O3[18]，在650℃时主要以能隙为2.58eV的β–Bi2O3的形式存在[19]，大多数研究人员认为它的氧空位排列和δ–Bi2O3相同；当温度降到640℃时则主要以γ–Bi2O3形式存在。由于Bi2O3的多晶型结构特征，导致其具有优越的电、光和磁性等性质，致使Bi2O3成为当下炙手可热的研究对象。1.3.2氧化铋的制备方法纳米Bi2O3的制备方法有很多，总体上可分为气相法、液相法和固相法。其中液相法更容易控制Bi2O3的形貌、成核和尺寸，是目前实验室和工业上用的较多的制备方法，液相法主要包括溶胶凝胶法、微乳法、化学沉淀法、水热法等。
第3章La掺杂对Bi2O3光催化性能的影响13图3.1Bi2O3(a)、1%La–Bi2O3(b)、2%La–Bi2O3(c)和3%La–Bi2O3(d)的SEM图像Fig.3.1SEMimagesofBi2O3(a),1%La–Bi2O3(b),2%La–Bi2O3(c)and3%La–Bi2O3(d)为了进一步确定样品的物相组成和形貌结构，对2%La–Bi2O3样品进行了TEM测试和HRTEM测试。如图3.2所示，2%La–Bi2O3样品（图3.2a-c）是不规则颗粒，与SEM图像分析结果一致。图3.2d是2%La–Bi2O3的HRTEM图像，从该图中可以观察到明显的晶格条纹，通过对晶格条纹间距进行测量发现，2%La–Bi2O3样品具有晶面间距为2.68nm和3.24nm的两组不同晶格条纹，经对比，它们分别与Bi2O3的（202）和（121）晶面相对应。在此图中，未观察到与La的晶面相对应的晶格条纹，这是由于La–Bi2O3样品中大部分的La进入到Bi2O3晶格形成了Bi–La氧化物固溶体造成的[31]。为了确定样品的元素种类和含量，对2%La–Bi2O3样品进行EDS能谱分析（图3.2e），结果显示，晶体中含有Bi、O、La这三种元素。从EDS能谱中可以看出，Bi和O是主要元素，其原子数目分别占到了34.53%和64.50%，而La的质量比约为1.57wt%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]城市水污染现状及治理建议分析[J]. 曹科英. 居业. 2019(11)
[2]La/Ce-codoped Bi2O3 composite photocatalysts with high photocatalytic performance in removal of high concentration dye[J]. Shuangshuang Xue,Hongbo He,Qizhe Fan,Changlin Yu,Kai Yang,Weiya Huang,Yang Zhou,Yu Xie. Journal of Environmental Sciences. 2017(10)
[3]一维四棱柱状Bi2O3纳米棒的微乳法合成及光性能[J]. 王亚军,郭梁,李泽雪,于海洋,冯长根. 稀有金属. 2018(06)
[4]氮掺杂Bi2O3光催化剂的制备及其可见光催化性能[J]. 卢远刚,杨迎春,叶芝祥,刘盛余. 无机材料学报. 2012(06)
[5]矿化剂对水热合成纳米Bi2O3光催化性能的影响[J]. 赵鑫,孙彤,朱虹,穆柏春. 有色金属. 2007(04)
[6]微乳法制备的纳米Bi2O3对苯系物光催化活性[J]. 丁鹏,杜尧国,徐自力. 吉林大学学报(理学版). 2004(03)
[7]纳米TiO2光催化降解污染物研究[J]. 丁时锋,唐超群,李清香. 工业水处理. 2003(03)
硕士论文
[1]氧化铋纳米材料的制备及其可见光催化性能的研究[D]. 李登恢.内蒙古科技大学 2019
[2]金属氧化物复合催化剂的制备及其催化性能研究[D]. 杨凯.沈阳工业大学 2017
本文编号：3131398
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化的机理Fig.1.1Mechanismofphotocatalysis（1）在可见光照射下，光催化剂只要满足Eg小于或等于入射光的能量，价带上的
Ｎ孪挛??黄色粉体材料，加热时呈橙色，继续加热呈红棕色，冷却后又变回淡黄色[14]。氧化铋的禁带宽度为2.0–3.9eV[15]，能够利用可见太阳光，受激发后可产生活性物种对污染物进行催化降解。据ChemicalReview报道[16]，Bi2O3共有六种晶型，即：单斜相α–Bi2O3、介稳态四方相β–Bi2O3、体心立方相γ–Bi2O3、面心立方相δ–Bi2O3、正交晶相ε–Bi2O3以及三角晶相ω–Bi2O3。通常情况下主要以α、β、γ、δ这四种晶相存在，而ε和ω这两种晶相通常无法单独稳定存在，目前有关它们的报道还很少。常见几种晶相相互转化关系如图1.2所示。图1.2氧化铋各晶相的相互转化Fig.1.2Ttransformationofbismuthoxidecrystalphases如上图所示，在不同温度下，Bi2O3的各晶相间可发生相互转化。常温下，最稳定的是α–Bi2O3，其能隙为2.85eV[17]，为层状结构，当热处理温度达到730℃时转化为δ–Bi2O3，并一直保持到825℃才熔化。δ–Bi2O3中不规则的分布着氧空位，由于其中高流动性的氧离子，所以会表现出具有高离子导电性的相态。δ–Bi2O3降温过程中的相变发生滞后现象，转化成两种亚稳相，即β–Bi2O3和γ–Bi2O3[18]，在650℃时主要以能隙为2.58eV的β–Bi2O3的形式存在[19]，大多数研究人员认为它的氧空位排列和δ–Bi2O3相同；当温度降到640℃时则主要以γ–Bi2O3形式存在。由于Bi2O3的多晶型结构特征，导致其具有优越的电、光和磁性等性质，致使Bi2O3成为当下炙手可热的研究对象。1.3.2氧化铋的制备方法纳米Bi2O3的制备方法有很多，总体上可分为气相法、液相法和固相法。其中液相法更容易控制Bi2O3的形貌、成核和尺寸，是目前实验室和工业上用的较多的制备方法，液相法主要包括溶胶凝胶法、微乳法、化学沉淀法、水热法等。
第3章La掺杂对Bi2O3光催化性能的影响13图3.1Bi2O3(a)、1%La–Bi2O3(b)、2%La–Bi2O3(c)和3%La–Bi2O3(d)的SEM图像Fig.3.1SEMimagesofBi2O3(a),1%La–Bi2O3(b),2%La–Bi2O3(c)and3%La–Bi2O3(d)为了进一步确定样品的物相组成和形貌结构，对2%La–Bi2O3样品进行了TEM测试和HRTEM测试。如图3.2所示，2%La–Bi2O3样品（图3.2a-c）是不规则颗粒，与SEM图像分析结果一致。图3.2d是2%La–Bi2O3的HRTEM图像，从该图中可以观察到明显的晶格条纹，通过对晶格条纹间距进行测量发现，2%La–Bi2O3样品具有晶面间距为2.68nm和3.24nm的两组不同晶格条纹，经对比，它们分别与Bi2O3的（202）和（121）晶面相对应。在此图中，未观察到与La的晶面相对应的晶格条纹，这是由于La–Bi2O3样品中大部分的La进入到Bi2O3晶格形成了Bi–La氧化物固溶体造成的[31]。为了确定样品的元素种类和含量，对2%La–Bi2O3样品进行EDS能谱分析（图3.2e），结果显示，晶体中含有Bi、O、La这三种元素。从EDS能谱中可以看出，Bi和O是主要元素，其原子数目分别占到了34.53%和64.50%，而La的质量比约为1.57wt%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]城市水污染现状及治理建议分析[J]. 曹科英. 居业. 2019(11)
[2]La/Ce-codoped Bi2O3 composite photocatalysts with high photocatalytic performance in removal of high concentration dye[J]. Shuangshuang Xue,Hongbo He,Qizhe Fan,Changlin Yu,Kai Yang,Weiya Huang,Yang Zhou,Yu Xie. Journal of Environmental Sciences. 2017(10)
[3]一维四棱柱状Bi2O3纳米棒的微乳法合成及光性能[J]. 王亚军,郭梁,李泽雪,于海洋,冯长根. 稀有金属. 2018(06)
[4]氮掺杂Bi2O3光催化剂的制备及其可见光催化性能[J]. 卢远刚,杨迎春,叶芝祥,刘盛余. 无机材料学报. 2012(06)
[5]矿化剂对水热合成纳米Bi2O3光催化性能的影响[J]. 赵鑫,孙彤,朱虹,穆柏春. 有色金属. 2007(04)
[6]微乳法制备的纳米Bi2O3对苯系物光催化活性[J]. 丁鹏,杜尧国,徐自力. 吉林大学学报(理学版). 2004(03)
[7]纳米TiO2光催化降解污染物研究[J]. 丁时锋,唐超群,李清香. 工业水处理. 2003(03)
硕士论文
[1]氧化铋纳米材料的制备及其可见光催化性能的研究[D]. 李登恢.内蒙古科技大学 2019
[2]金属氧化物复合催化剂的制备及其催化性能研究[D]. 杨凯.沈阳工业大学 2017
本文编号：3131398
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