铋基半导体异质结微纳结构的可控制备及其光催化性能研究
发布时间：2021-11-12 00:52
半导体光催化技术是解决能源短缺和环境污染这两方面问题有效、绿色和最有发展前景的方法,其核心是对半导体光催化剂的研究。在已报道的半导体材料中,铋基半导体光催化剂因其具有结构可控、环境友好、原料充足、光催化活性高和稳定性好等优点,而成为继TiO2之后的一类非常重要的新型光催化材料。特别是Sillen族的铋基半导体光催化材料拥有独特的层状结构,促使光生载流子在层间得到有效的分离和转移,继而获得良好的光催化性能,但其中部分半导体如Bi2O2CO3和BiOCOOH等因具有较宽的禁带宽度,导致对太阳光的利用率低,也使它们的实际应用受到了极大限制。本论文针对Bi2O2CO3和BiOCOOH在光催化过程中存在的问题,设计出简单的产品制备路线,通过形貌控制和异质结构筑等方法对Bi2O2CO3和BiOCOOH进行了改性,有效地增强了材料对可见光的吸收并进一步降低了光生载流子的复合率,大幅度提升了它们的光催化性能;通过SEM、TEM、HRTEM、XRD、XPS和UV-Vis DRS等方法对所制备的铋基半导体光催化剂的结构、组成和光学性质等进行了表征与分析;并深入探究了异质结微纳结构的形成机理和光催化降解污染...
【文章来源】：扬州大学江苏省
【文章页数】：165 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－４半导体光催化材料的应用．??１．３铋基光催化剂的研宂进展??
?第１章绪论???进展。??１．３．１几种铋基半导体光催化材料简介??１．３．１．１?氧化铋（Ｂｉ；：〇３）??Ｂｉ２０３是最简单的铋化合物，它的晶型主要有六种，常见的有单斜相ａ－Ｂｉ２０３、四方??相ｐ－ＢｈＯ；、体心立方相Ｙ－Ｂｂ〇３和面心立方相５－Ｂｉ２〇３。其中，ａ－Ｂｉ２０３是低温稳定相，??［５－Ｂｉ２〇３和ｙ－Ｂｂ〇３是亚稳相，５－Ｂｂ〇３是局温稳定相，ａ－Ｂｉ２〇３是这几种晶型中热力学最??稳定的晶型。如图１－５所示，在不同的热处理温度下，Ｂｉ２０３四种晶相可相互转化，其??它亚稳相在低温下易转变为ａ相，在高温下转变为５相［２８１。Ｂｉ２０３是直接带隙半导体，??它的带隙能大小取决于晶相，在２．０至３．９ｅＶ之间变化［２９］。目前，在Ｂｉ２０３这几种晶型??中，关于ａ－Ｂｉ２０３和（３－Ｂｉ２０３作为光催化剂的应用报道较多。ａ－Ｂｂ〇３是一个低温稳定相??且具有合适的带隙能（２．９ｅＶ），在光催化过程中稳定性好，不会被光腐蚀。而与ａ－Ｂｉ２０３??相比，卩－Ｂｉ２０３的可见光催化性能更高，这是由于（３－Ｂｉ２０３的带隙能较小（２．４ｅＶ）［２９］，且??如图１－６所示［３Ｇ１，在Ｐ－Ｂｉ２０３的晶体结构中沿着晶体ｃ轴方向具有孔道结构，这可以为??电荷载流子的转移提供通道，防止它们复合。尽管Ｐ－Ｂｉ２０３的可见光催化性能较好，但??（３－Ｂｉ２０３的亚稳态给纳米尺度上制备纯（３－Ｂｉ２０３带来了挑战。目前合成（３－Ｂｉ２０３的最简单??的方法就是通过前驱体的热分解法。近年来，对Ｂｉ２０３的研究主要集中在开发Ｐ－Ｂｉ２０３??的合成新方法［３１］和进一步提高ａ－Ｂｉ２０３和（３－Ｂｉ２０３光催化性能上［
?第１章绪论???图】－７ＢｉＯＸ（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、丨）的晶体结构模型图：（ａ）单晶晶胞，（ｂ）二层厚度的二维层状结构［３４】．??１．３．１．３?碳酸氧铋（Ｂｉ２〇２Ｃ〇３）??Ｂｉ２〇２Ｃ０３也具有Ｓｉｌｌ如层状结构，由图１－８可见它是由交替的［Ｂｉ２〇２］２＋层和??Ｃ０３２－层正交而成，其中Ｂｉ３＋与８个共用的氧原子形成配位，这种大型８配位表现出立??体活性孤对行为，这可能导致Ｂｉ－０多面体具有较大畸变性［４｜＼而表面Ｂｉ－Ｏ键的畸变??容易引起氧空位的形成，适量的氧空位存在能够捕获光生电子，降低光生载流子的复??合率。此外，Ｂｉ２０２Ｃ０３的内部层状结构将引起不同轴的生长速率的差异性，倾向于形??成二维片状结构。同时，具有高度各向异性的Ｂｉ２０２Ｃ０３内部结构有利于控制具有特殊??晶面暴露的纳米片的形成［４２］。Ｂｉ２０２Ｃ０３最早被广泛用作工业添加剂，是一种用于胃药??的原料［４３］。直到２０１０年，Ｃｈｅｎｇ等人发现Ｂｉ２〇２Ｃ０３在紫外光照射下可有效降解Ｍ０??之后，它在光催化领域的应用才得到了广泛的关注。此外，Ｂｉ２０２Ｃ０３也被应用于超级??电容器［４５］和湿度传感器［４６］等领域。Ｂｂ〇２Ｃ〇３是ｎ型间接带隙半导体，它的均在３．１？３．５??ｅＶ之间［４７］，所以Ｂｉ２０２Ｃ〇３只能被紫外光激发，导致其对太阳光利用率低，限制了它??的光催化效率。到目前为止己经报道了一系列的策略如形貌控制［４７］、特殊晶面暴露［１８］??以及与窄带隙半导体复合［４８１等手段来拓宽Ｂｉ２０２Ｃ０３对光的吸收范围和提升单一??Ｂｂ〇２Ｃ〇３的光生载流子的分离效率。??墨＿３＿??ｊｉＪｃｉｎｇ?ａｌｏｎｇ?ｌｏ
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型间接Z字结型g-C3N4/Bi2MoO6/Bi空心微球等离子共振增强光吸收和光催化性能（英文）[J]. 李宁,高航,王鑫,赵苏君,吕达,杨国庆,高雪云,樊海宽,高旸钦,戈磊. Chinese Journal of Catalysis. 2020(03)
[2]Bi/BiOCOOH复合光催化剂的制备及其可见光催化性能[J]. 丁志刚,舒友菊,段芳,陈明清. 重庆大学学报. 2018(10)
[3]铋系光催化剂去除环境污染物[J]. 丁星,杨祥龙,熊中亮,陈浩,张礼知. 化学进展. 2017(09)
[4]Facile microwave-assisted ionic liquid synthesis of sphere-like BiOBr hollow and porous nanostructures with enhanced photocatalytic performance[J]. Zhigang Chen,Jie Zeng,Jun Di,Dexiang Zhao,Mengxia Ji,Jiexiang Xia,Huaming Li. Green Energy & Environment. 2017(02)
[5]具有异质结的铋系光催化剂研究进展（英文）[J]. 陈浪,贺捷,刘英,陈鹏,区泽堂,尹双凤. 催化学报. 2016(06)
[6]BiOCl nanostructures with different morphologies:Tunable synthesis and visible-light-driven photocatalytic properties[J]. Hong-Ying Hao,Yan-Yan Xu,Ping Liu,Guo-Ying Zhang. Chinese Chemical Letters. 2015(01)
[7]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)
博士论文
[1]铋系异质结光催化剂的可控制备及性能研究[D]. 杨春明.吉林大学 2019
[2]铋基半导体及其复合材料的液相合成与光催化性能研究[D]. 吴共娟.湖南大学 2018
硕士论文
[1]铟/铋基半导体复合材料制备及其光催化性能研究[D]. 孟亚东.江苏大学 2017
[2]钼酸铋异质结光催化剂的制备及其可见光催化性能研究[D]. 杨佳.华南理工大学 2017
[3]Aurivillius型铋基光催化材料的制备与性能研究[D]. 王传宁.南昌大学 2015
本文编号：3489875
【文章来源】：扬州大学江苏省
【文章页数】：165 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－４半导体光催化材料的应用．??１．３铋基光催化剂的研宂进展??
?第１章绪论???进展。??１．３．１几种铋基半导体光催化材料简介??１．３．１．１?氧化铋（Ｂｉ；：〇３）??Ｂｉ２０３是最简单的铋化合物，它的晶型主要有六种，常见的有单斜相ａ－Ｂｉ２０３、四方??相ｐ－ＢｈＯ；、体心立方相Ｙ－Ｂｂ〇３和面心立方相５－Ｂｉ２〇３。其中，ａ－Ｂｉ２０３是低温稳定相，??［５－Ｂｉ２〇３和ｙ－Ｂｂ〇３是亚稳相，５－Ｂｂ〇３是局温稳定相，ａ－Ｂｉ２〇３是这几种晶型中热力学最??稳定的晶型。如图１－５所示，在不同的热处理温度下，Ｂｉ２０３四种晶相可相互转化，其??它亚稳相在低温下易转变为ａ相，在高温下转变为５相［２８１。Ｂｉ２０３是直接带隙半导体，??它的带隙能大小取决于晶相，在２．０至３．９ｅＶ之间变化［２９］。目前，在Ｂｉ２０３这几种晶型??中，关于ａ－Ｂｉ２０３和（３－Ｂｉ２０３作为光催化剂的应用报道较多。ａ－Ｂｂ〇３是一个低温稳定相??且具有合适的带隙能（２．９ｅＶ），在光催化过程中稳定性好，不会被光腐蚀。而与ａ－Ｂｉ２０３??相比，卩－Ｂｉ２０３的可见光催化性能更高，这是由于（３－Ｂｉ２０３的带隙能较小（２．４ｅＶ）［２９］，且??如图１－６所示［３Ｇ１，在Ｐ－Ｂｉ２０３的晶体结构中沿着晶体ｃ轴方向具有孔道结构，这可以为??电荷载流子的转移提供通道，防止它们复合。尽管Ｐ－Ｂｉ２０３的可见光催化性能较好，但??（３－Ｂｉ２０３的亚稳态给纳米尺度上制备纯（３－Ｂｉ２０３带来了挑战。目前合成（３－Ｂｉ２０３的最简单??的方法就是通过前驱体的热分解法。近年来，对Ｂｉ２０３的研究主要集中在开发Ｐ－Ｂｉ２０３??的合成新方法［３１］和进一步提高ａ－Ｂｉ２０３和（３－Ｂｉ２０３光催化性能上［
?第１章绪论???图】－７ＢｉＯＸ（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、丨）的晶体结构模型图：（ａ）单晶晶胞，（ｂ）二层厚度的二维层状结构［３４】．??１．３．１．３?碳酸氧铋（Ｂｉ２〇２Ｃ〇３）??Ｂｉ２〇２Ｃ０３也具有Ｓｉｌｌ如层状结构，由图１－８可见它是由交替的［Ｂｉ２〇２］２＋层和??Ｃ０３２－层正交而成，其中Ｂｉ３＋与８个共用的氧原子形成配位，这种大型８配位表现出立??体活性孤对行为，这可能导致Ｂｉ－０多面体具有较大畸变性［４｜＼而表面Ｂｉ－Ｏ键的畸变??容易引起氧空位的形成，适量的氧空位存在能够捕获光生电子，降低光生载流子的复??合率。此外，Ｂｉ２０２Ｃ０３的内部层状结构将引起不同轴的生长速率的差异性，倾向于形??成二维片状结构。同时，具有高度各向异性的Ｂｉ２０２Ｃ０３内部结构有利于控制具有特殊??晶面暴露的纳米片的形成［４２］。Ｂｉ２０２Ｃ０３最早被广泛用作工业添加剂，是一种用于胃药??的原料［４３］。直到２０１０年，Ｃｈｅｎｇ等人发现Ｂｉ２〇２Ｃ０３在紫外光照射下可有效降解Ｍ０??之后，它在光催化领域的应用才得到了广泛的关注。此外，Ｂｉ２０２Ｃ０３也被应用于超级??电容器［４５］和湿度传感器［４６］等领域。Ｂｂ〇２Ｃ〇３是ｎ型间接带隙半导体，它的均在３．１？３．５??ｅＶ之间［４７］，所以Ｂｉ２０２Ｃ〇３只能被紫外光激发，导致其对太阳光利用率低，限制了它??的光催化效率。到目前为止己经报道了一系列的策略如形貌控制［４７］、特殊晶面暴露［１８］??以及与窄带隙半导体复合［４８１等手段来拓宽Ｂｉ２０２Ｃ０３对光的吸收范围和提升单一??Ｂｂ〇２Ｃ〇３的光生载流子的分离效率。??墨＿３＿??ｊｉＪｃｉｎｇ?ａｌｏｎｇ?ｌｏ
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型间接Z字结型g-C3N4/Bi2MoO6/Bi空心微球等离子共振增强光吸收和光催化性能（英文）[J]. 李宁,高航,王鑫,赵苏君,吕达,杨国庆,高雪云,樊海宽,高旸钦,戈磊. Chinese Journal of Catalysis. 2020(03)
[2]Bi/BiOCOOH复合光催化剂的制备及其可见光催化性能[J]. 丁志刚,舒友菊,段芳,陈明清. 重庆大学学报. 2018(10)
[3]铋系光催化剂去除环境污染物[J]. 丁星,杨祥龙,熊中亮,陈浩,张礼知. 化学进展. 2017(09)
[4]Facile microwave-assisted ionic liquid synthesis of sphere-like BiOBr hollow and porous nanostructures with enhanced photocatalytic performance[J]. Zhigang Chen,Jie Zeng,Jun Di,Dexiang Zhao,Mengxia Ji,Jiexiang Xia,Huaming Li. Green Energy & Environment. 2017(02)
[5]具有异质结的铋系光催化剂研究进展（英文）[J]. 陈浪,贺捷,刘英,陈鹏,区泽堂,尹双凤. 催化学报. 2016(06)
[6]BiOCl nanostructures with different morphologies:Tunable synthesis and visible-light-driven photocatalytic properties[J]. Hong-Ying Hao,Yan-Yan Xu,Ping Liu,Guo-Ying Zhang. Chinese Chemical Letters. 2015(01)
[7]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)
博士论文
[1]铋系异质结光催化剂的可控制备及性能研究[D]. 杨春明.吉林大学 2019
[2]铋基半导体及其复合材料的液相合成与光催化性能研究[D]. 吴共娟.湖南大学 2018
硕士论文
[1]铟/铋基半导体复合材料制备及其光催化性能研究[D]. 孟亚东.江苏大学 2017
[2]钼酸铋异质结光催化剂的制备及其可见光催化性能研究[D]. 杨佳.华南理工大学 2017
[3]Aurivillius型铋基光催化材料的制备与性能研究[D]. 王传宁.南昌大学 2015
本文编号：3489875
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