铋系半导体光催化剂的改性及其光催化性能研究
发布时间：2021-06-25 13:38
人类社会在不断发展的同时,能源危机和环境污染问题也日益严重。半导体材料的光催化及压电催化技术在解决这些问题的过程中正发挥着越来越重要的作用。本论文主要研究了两种半导体催化剂,分别为一种铋的碱式盐[Bi6O6（OH）3]（NO3）3·1.5H2O和钛酸铋(Bi4Ti3O12)。两种材料由于固有性质的原因,光催化性能均较差。本文分别采用不同的改性方法有效提升了它们在可见光下的催化活性。同时也通过改性进一步发掘了Bi4Ti3O12作为铁电材料在压电催化领域的潜力。主要的研究成果如下:（1）以葡萄糖作为碳源,采用水热法制备了碳掺杂的[Bi6O6（OH）3]（NO3）3·1.5H2O,然后用Na BH
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化过程中的化学反应光生电子和空穴在半导体材料表面发生的反应如图1-1所示
第一章绪论31.3以机械能驱动的催化反应1.3.1压电催化压电催化最早可以追溯至1998年，日本学者发现了部分一元金属氧化物在机械搅拌下能够全分解水的现象[2]，值得注意的是反应过程是在无光环境下进行。研究人员通过进一步的探究逐步发现了其中的机理并将其称为压电催化效应。压电材料在受到外部机械应力作用时，会产生表面荷电效应，形成极化电场，使电介质极化。图1-2表示了压电材料在不同应力作用下产生极化电荷的现象，无论是受到张力还是应力都会使压电材料内部产生极化电荷，形成一个电场，这些压电场的电势能达几十至几百伏。在足够的电势作用下，部分自由电子和空穴会迁移至材料表面[3]，由于处在湿化学环境中，这些自由电荷会和溶解氧或有机染料等物质发生氧化还原反应，最终达到分解水产H2和暗场下降解有机物的目的。这就是目前被大部分学者所认可的压电催化机理。图1-2压电材料在外部作用力下产生极化电荷的示意图[4]。(a)无应力；(b)受张力；(c)受压力压电催化发展初期，催化剂都局限于一维，二维材料[5,6]，因为这些材料在外部作用力下更容易发生形变而产生压电场，进而能进行更高效的催化反应。但近年来的许多成果将压电催化剂的范围扩展至三维复合材料[7,8]，其催化效率也在不断的提高。而且也出现了压电催化和光催化的协同催化[9,10]，压电场能够极大提高光生载流子的分离，进而使催化活性进一步提高。目前，大部分的研究方向还是集中于有机污染物的降解和分解水产H2，这也是光催化领域研究成果很多的领域，相信压电催化和光催化的协同效应会给该领域的进一步发展带来新的机遇。
第一章绪论7有弱结合的结晶水或氢氧基团，这使得一些常用的物理表征手段失效，加大了对这种分子结构复杂的化合物的研究难度[42,43]。尽管铋的碱式盐各化合物的分子式不尽相同，但其中大部分都有着[Bi6Ox(OH)8-x](10-x)+的结构，它是另外的一种阳离子[Bi6(OH)12]6+分子内缩聚后的产物，后者普遍存在于Bi的盐溶液中[44,45]。图1-3展示了两种具有这种结构的复杂阳离子的模型，它们是由各种XRD数据分析计算得到的。还有少数铋的碱式盐并不具有上述的结构，如Bi2O2(OH)(NO3)，[Bi6O6(OH)3](NO3)3·1.5H2O。不同种的铋的碱式盐之间还可以通过精确调控反应温度，反应前驱体溶液的pH等条件来控制合成。如Bi(NO3)3·5H2O在NaOH水溶液中水解反应的产物和溶液的pH是密切相关的，pH值在1.8~2.1时，产物是[Bi6O6(OH)](NO3)5·(2.5~3.0)H2O；在2.6~3.5时，得到[Bi6O6(OH)2](NO3)4·2H2O；而在pH大于3.5时，又得到[Bi6O6(OH)3](NO3)3·1.5H2O[46,47]。图1-3两种含Bi复杂离子的模型结构[42]（a）[Bi6O4(OH)4]6+；（b）[Bi6O5(OH)3]5+铋的碱式盐这一大类化合物最早发现于2个世纪前，一直以来都是作为一种柔和的杀菌剂被应用于医疗领域[47]。进入21世纪后，才有学者将其引入光催化领域，但作为相对小众的一种光催化材料，人们对其研究的并不太多。不同于大部分的铋系半导体光催化剂，铋的碱式盐的禁带宽度较大，纯的铋的碱式盐只能在紫外光下实现光催化。Han[48]等人通过水热法合成出了具有多层结构的纳米花状Bi2O2(OH)(NO3)，其在紫外光下催化降解罗丹明B（RhB）的速率达到了P25的2.5倍。Yang[49]等人和Xie[50]等人都通过水热法成功制备出了纯的[Bi6O6(OH)3](NO3
【参考文献】：
期刊论文
[1]MoSe2/ZnO/ZnSe复合物用于高效可见光催化还原Cr（Ⅵ）（英文）[J]. 任振兴,刘心娟,诸葛志豪,宫银燕,孙长庆. Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
[2]可见光铋系光催化剂的研究进展[J]. 赫荣安,曹少文,周鹏,余家国. 催化学报. 2014(07)
[3]Photocatalytic degradation of benzene in gas phase by nanostructured BiPO4 catalysts[J]. Baihua Long,Jianhui Huang,Xinchen Wang. Progress in Natural Science:Materials International. 2012(06)
[4]Bi3.25La0.75Ti3O12纳米线的可见光催化性能（英文）[J]. 林雪,吕鹏,关庆丰,李海波,李洪吉,蔡杰,邹阳. 物理化学学报. 2012(08)
本文编号：3249304
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化过程中的化学反应光生电子和空穴在半导体材料表面发生的反应如图1-1所示
第一章绪论31.3以机械能驱动的催化反应1.3.1压电催化压电催化最早可以追溯至1998年，日本学者发现了部分一元金属氧化物在机械搅拌下能够全分解水的现象[2]，值得注意的是反应过程是在无光环境下进行。研究人员通过进一步的探究逐步发现了其中的机理并将其称为压电催化效应。压电材料在受到外部机械应力作用时，会产生表面荷电效应，形成极化电场，使电介质极化。图1-2表示了压电材料在不同应力作用下产生极化电荷的现象，无论是受到张力还是应力都会使压电材料内部产生极化电荷，形成一个电场，这些压电场的电势能达几十至几百伏。在足够的电势作用下，部分自由电子和空穴会迁移至材料表面[3]，由于处在湿化学环境中，这些自由电荷会和溶解氧或有机染料等物质发生氧化还原反应，最终达到分解水产H2和暗场下降解有机物的目的。这就是目前被大部分学者所认可的压电催化机理。图1-2压电材料在外部作用力下产生极化电荷的示意图[4]。(a)无应力；(b)受张力；(c)受压力压电催化发展初期，催化剂都局限于一维，二维材料[5,6]，因为这些材料在外部作用力下更容易发生形变而产生压电场，进而能进行更高效的催化反应。但近年来的许多成果将压电催化剂的范围扩展至三维复合材料[7,8]，其催化效率也在不断的提高。而且也出现了压电催化和光催化的协同催化[9,10]，压电场能够极大提高光生载流子的分离，进而使催化活性进一步提高。目前，大部分的研究方向还是集中于有机污染物的降解和分解水产H2，这也是光催化领域研究成果很多的领域，相信压电催化和光催化的协同效应会给该领域的进一步发展带来新的机遇。
第一章绪论7有弱结合的结晶水或氢氧基团，这使得一些常用的物理表征手段失效，加大了对这种分子结构复杂的化合物的研究难度[42,43]。尽管铋的碱式盐各化合物的分子式不尽相同，但其中大部分都有着[Bi6Ox(OH)8-x](10-x)+的结构，它是另外的一种阳离子[Bi6(OH)12]6+分子内缩聚后的产物，后者普遍存在于Bi的盐溶液中[44,45]。图1-3展示了两种具有这种结构的复杂阳离子的模型，它们是由各种XRD数据分析计算得到的。还有少数铋的碱式盐并不具有上述的结构，如Bi2O2(OH)(NO3)，[Bi6O6(OH)3](NO3)3·1.5H2O。不同种的铋的碱式盐之间还可以通过精确调控反应温度，反应前驱体溶液的pH等条件来控制合成。如Bi(NO3)3·5H2O在NaOH水溶液中水解反应的产物和溶液的pH是密切相关的，pH值在1.8~2.1时，产物是[Bi6O6(OH)](NO3)5·(2.5~3.0)H2O；在2.6~3.5时，得到[Bi6O6(OH)2](NO3)4·2H2O；而在pH大于3.5时，又得到[Bi6O6(OH)3](NO3)3·1.5H2O[46,47]。图1-3两种含Bi复杂离子的模型结构[42]（a）[Bi6O4(OH)4]6+；（b）[Bi6O5(OH)3]5+铋的碱式盐这一大类化合物最早发现于2个世纪前，一直以来都是作为一种柔和的杀菌剂被应用于医疗领域[47]。进入21世纪后，才有学者将其引入光催化领域，但作为相对小众的一种光催化材料，人们对其研究的并不太多。不同于大部分的铋系半导体光催化剂，铋的碱式盐的禁带宽度较大，纯的铋的碱式盐只能在紫外光下实现光催化。Han[48]等人通过水热法合成出了具有多层结构的纳米花状Bi2O2(OH)(NO3)，其在紫外光下催化降解罗丹明B（RhB）的速率达到了P25的2.5倍。Yang[49]等人和Xie[50]等人都通过水热法成功制备出了纯的[Bi6O6(OH)3](NO3
【参考文献】：
期刊论文
[1]MoSe2/ZnO/ZnSe复合物用于高效可见光催化还原Cr（Ⅵ）（英文）[J]. 任振兴,刘心娟,诸葛志豪,宫银燕,孙长庆. Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
[2]可见光铋系光催化剂的研究进展[J]. 赫荣安,曹少文,周鹏,余家国. 催化学报. 2014(07)
[3]Photocatalytic degradation of benzene in gas phase by nanostructured BiPO4 catalysts[J]. Baihua Long,Jianhui Huang,Xinchen Wang. Progress in Natural Science:Materials International. 2012(06)
[4]Bi3.25La0.75Ti3O12纳米线的可见光催化性能（英文）[J]. 林雪,吕鹏,关庆丰,李海波,李洪吉,蔡杰,邹阳. 物理化学学报. 2012(08)
本文编号：3249304
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