摘要
日趋严峻的能源危机和环境问题亟待解决，寻找储量充足、可再生、可循环利用的绿色清洁能源成为当前工业发展中的迫切任务。半导体光催化是一种环境友好型污染物处理技术，利用太阳能进行能量转换利用，有效去除废水废气中的有机污染物，高效、环保、无害。近年来，压电材料因具有自发极化内电场，可以促进光生电子-空穴对的分离，在环保领域的应用中展现出优秀的能力和效果而备受瞩目。 本文将压电材料、光催化及压电催化相结合，探究了压电材料BaTiO3的高效低耗合成途径，并通过金属沉积和异质杂化的改性手段制备Pt/BaTiO3异质结和Ag2O/BaTiO3异质结，显著提升了催化剂的催化活性。主要的研究成果如下： （1）采用低温水热法制备四方相BaTiO3纳米粉体，并控制单一变量以探究温度、时间、原料种类、钡钛比和热处理等多重因素对BaTiO3微观形貌和晶相组成的影响。综合确定最优的反应条件为：以Ba(OH)2·H2O和(C4H9O)4Ti分别作为钡源和钛源，固定钡钛比Ba/Ti=1.5，以氨水为矿化剂、乙醇为溶剂，于200℃下水热24h。此合成路径具有多项优点，例如成本低廉、温度平和、高效低耗、节能环保等。制备得到的BaTiO3纳米粉体不仅结晶度和纯度高，形貌光滑规整，粒径均匀且分布窄（平均粒径约96nm），分散性能良好，更重要的是具有较高的c/a比（c/a=1.0073），符合多层陶瓷电容器的生产要求，有望在高精尖电子产业内得到更广泛的应用。 （2）利用常见的金属元素沉积手段对BaTiO3纳米晶体进行表面修饰改性，通过光化学还原法在BaTiO3表面均匀地负载Pt纳米粒子，构造Pt/BaTiO3异质结。相对于纯BaTiO3而言，Pt/BaTiO3异质结催化剂的光吸收截面增大，在全光谱下对有机染料MO的降解效率得以显著提升。研究结果表明Pt的含量、BaTiO3的压电内电场及Pt的局域表面等离子体共振（LSPR）效应对Pt/BaTiO3的光催化活性至关重要。全光谱照射和超声振动协同作用下，Pt的负载量为0.25wt%时Pt/BaTiO3异质结显示出最佳的催化性能，其在50min内可降解高达92.49%的MO。通过超声处理在BaTiO3纳米晶体中产生压电内电场，是促进光生载流子迁移和抑制光生载流子复合的关键，促使Pt/BaTiO3异质结催化剂的催化活性得到较大的提升。 （3）通过简单的化学沉积反应搭建Ag2O/BaTiO3异质结构。对比纯BaTiO3，Ag2O/BaTiO3异质结在可见光、暗场超声、可见光与超声协同这三个不同条件下对MO降解效率得以明显提升。其中1.5-Ag2O/BaTiO3样品具有最佳的压光催化活性，其在可见光和超声振动协同作用下，30min内能使MO的降解率达到80.17%。Ag2O纳米粒子对可见光响应，在光照下能够产生光生电子-空穴对。BaTiO3纳米晶体在超声振荡的环境下，由压电效应产生的内电场受超声驱动而交替改变。构造异质结后，Ag2O纳米颗粒紧密吸附在BaTiO3的光滑表面上，扩大了催化剂对可见光的响应区域，增多了可供光生载流子反应的活性位点。在可见光照射和超声激发的协同作用下，Ag2O/BaTiO3异质结中源于BaTiO3的压电内电场能促进Ag2O纳米颗粒内部光致电荷的分离，使其充分参与氧化还原反应，从而显著改善异质结催化剂的光催化性能。
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