铋基氧化物半导体异质结的构建及光催化性能研究

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中文摘要：半导体光催化技术，因其绿色环保、不会造成二次污染等优点，在新能源，有机合成和环境净化等领域极具前景。但是，传统光催化剂TiO2在对可见光的利用和光生载流子迁移与分离等方面的表现不尽如人意，进而严重限制了其光催化活性的表达。铋基半导体光催化材料以其独特的电子和晶体结构而表现出的有潜力的光催化活性，并因此受到了广泛的关注。Bi2WO6是一种具有钙钛矿层状结构的多元层状氧化物。Bi2WO6的价带是由O2p和Bi6s轨道杂化而成，而导带以W5d轨道为主。特殊的晶体和能带结构有利于光生电子空穴对的分离和对可见光的吸收，因此赋予Bi2WO6有潜力的光催化活性。NaBiO3因其独特的层状结构和合适的带隙值使得它具有较高的光生载流子分离效率和可见光响应能力。然而，纯相材料中光生载流子的复合速率远大于其分离速率，从而造成高达约95％的光生载流子在复合过程被消耗掉，因此如何削弱载流子的复合过程对于提高材料的光催化活性具有极为重要的意义，有时甚至是决定性的意义。作为可见光光催化剂，铋的氧化物(BiXOY)的主要优点是其具有合适的带隙能(1.5～3.0eV)，这可大大扩展光吸收范围。基于此，本课题利用Bi2WO6和NaBiO3为原料构建异质结以解决上述问题并得到了如下结论:1.利用水热法成功制备出Bi2O4/Bi2WO6异质结微球。在花状微球Bi2WO6的表面上原位生长棒状Bi2O4。光催化测试结果表明Bi2O4/Bi2WO6-3复合材料在可见光照射下降解罗丹明B(RhB)和甲基橙(MO)的降解速率分别是纯相Bi2WO6的5倍和90倍。活性自由基捕获实验结果表明超氧自由基(·O2-)和空穴(h+)是光催化反应过程中的主要活性物质。 2.通过NaBiO3为唯一原料的电化学法原位构建NaBiO3/BiO2-x异质结，有效降低了载流子的复合率。研究表明NaBiO3/BiO2-x复合材料在可见光下降解罗丹明B的速率是纯相NaBiO3的1.69倍。NaBiO3/BiO2-x复合材料对其它污染物(甲基橙(MO)，双酚A(BPA)和环丙沙星(CIP))均显示出普适的光催化活性。 3.通过在上述第二项工作的制备体系中调节电解液的PH值至碱性，成功制备出NaBiO3/Bi2O3/Bi2O2.75三相异质结。NaBiO3与Bi2O3，NaBiO3与Bi2O2.75均形成了Ⅱ型异质结，有效降低了载流子的复合。NaBiO3/Bi2O3/Bi2O2.75复合材料在可见光下光催化降解罗丹明B的速率是纯相NaBiO3的1.45倍。此外，所合成的NaBiO3/Bi2O3/Bi2O2.75复合材料对多种污染物(刚果红(CR)，甲基橙(MO)，亚甲基蓝(MB)和双酚A(BPA))均呈现出优异的光催化活性。 4.此外，我们对Bi2O4/Bi2WO6，NaBiO3/BiO2-x和NaBiO3/Bi2O3/Bi2O2.75复合材料的形成机理，电荷转移机制及性能提升机理进行了初步探索。

作者：

崔鹏

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关键词：

铋基氧化物半导体可见光响应原位合成异质结光催化效率

授予学位：

硕士

学科专业：

材料物理与化学

导师：

刘刚

学位年度：

2021

学位授予单位：

哈尔滨理工大学

语种：

中文

中图分类号：