鉍系層狀化合物的結構調控、功能化組裝及其光催化性質研究.pdf

1、隨著煤炭、石油等化石燃料的日益枯竭，人類正面臨著巨大的能源危機，而消耗這些化石燃料的同時也帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。半導體光催化能夠利用豐富的太陽能來分解水產(chǎn)氫、降解有機污染物和還原二氧化碳，這對全球新能源開發(fā)和環(huán)境治理有重要的意義。不過，以二氧化鈦為代表的傳統(tǒng)異相光催化材料帶隙很寬，只能吸收太陽光中少量的紫外光部分;同時，其光生載流子容易復合，量子產(chǎn)率較低。為了使光催化技術進一步走向實用化，充分發(fā)揮其在氫能源開發(fā)、環(huán)境凈化以及二氧化碳

2、處理等方面的優(yōu)勢，發(fā)展新型高效的可見光光催化材料體系是必然趨勢。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，鉍系化合物具有優(yōu)異的可見光光催化活性，這就為發(fā)展實用高效的半導體光催化提供了重要的基礎。
　　 任何材料的性能都是由其結構決定的，這些結構涉及晶體結構、電子結構、表面和界面結構等。同時，這也給人們提供了通過改變材料結構來優(yōu)化提高其性能的途徑。對半導體光催化材料而言，其光催化性能受光譜響應范圍和載流子分離效率的影響，因此，可以通過改變半導體光催化材料

3、的結構來促進其光譜吸收和載流子傳輸，進而實現(xiàn)高效的可見光光催化性能。
　　 在本論文中，我們重點研究了鉍系層狀化合物材料，其獨特的層狀結構使得光生載流子在層間能夠有效的分離和傳輸;另外，鉍系層狀化合物的層間離子具有很高的活性，可以發(fā)生嵌入、剝離、柱撐和離子交換等反應來改變結構，優(yōu)化其光催化性能。根據(jù)結構和性能的相互關系，通過對鉍系層狀化合物進行結構設計、可控合成以及功能化組裝，來獲得高效的可見光光催化材料。
　　 在第一

4、章中，我們首先介紹了半導體光催化的基本原理，主要應用以及可見光光催化材料的研究進展。其次說明了半導體材料的結構和光催化性能的關系。接著介紹了層狀化合物的結構特點和插層化學，并對鉍系層狀化合物進行了簡單描述。最后闡述了該論文工作的選題意義、研究思路和主要研究內(nèi)容。
　　 在第二章中，我們研究了微結構調控，尤其是三維的分等級結構對鉍系層狀化合物光催化性能的影響。
　　 (1)利用微型乳液輔助溶劑熱法合成出了三維分等級結構的B

5、iOBr空心微球。通過選擇不同的溶劑，制備出了不同形貌的BiOBr材料。系統(tǒng)研究了BiOBr樣品的形貌、結構及光吸收性質，初步探討了BiOBr空心微球的生長機理。利用可見光下若丹明B染料的降解和六價鉻離子的還原來評價了BiOBr空心微球的光催化活性，并研究了BiOBr的不同形貌對其光催化性能的影響。
　　 (2)利用陰離子交換反應制備出了分等級結構的Bi2WO6空心微球。結合Kirkendall效應，探討了Bi2WO6空心微球的

6、形成機理。研究了反應溫度對產(chǎn)物物相的影響。系統(tǒng)研究了Bi2WO6空心微球的光吸收和氮氣吸附等性質。通過可見光下還原CO2來評價了其光催化活性，發(fā)現(xiàn)Bi2WO6空心微球能夠有效的還原CO2為甲醇，結合CO2吸附和紅外光譜對其機理進行了研究。
　　 (3)通過低溫濕化學方法合成了分等級結構的Bi2O2CO3微米花。通過改變前驅體溶液中的Bi3+/CO32-摩爾比，得到不同形貌的Bi2O2CO3微結構。研究了Bi2O2CO3樣品的結構

7、和形貌特征，通過觀察反應過程中間的產(chǎn)物，并結合材料的晶體結構，提出了Bi2O2CO3微米花可能的生長過程。利用甲基橙染料的降解評價了Bi2O2CO3樣品的光催化性能，并研究了不同形貌對其光催化活性的影響。
　　 在第三章中，我們研究了鉍系層狀化合物復合材料的光催化性能。
　　 (1)利用水浴法合成出了不同組分的AgI/BiOI納米復合材料。表征了AgI/BiOI納米復合材料的結構、形貌和光學性質。利用甲基橙和苯酚溶液的降

8、解來表征復合材料的光催化性質，并研究了AgI含量對復合材料光催化性能的影響。探討了AgI/BiOI納米復合光催化材料的高活性和穩(wěn)定性的原因。
　　 (2)結合貴金屬納米粒子的表面等離子體效應，設計和制備了高效的Ag/AgBr/BiOBr納米復合光催化材料。探討了BiOBr的分等級結構對離子交換反應制備AgBr納米粒子尺寸和分散性的影響。系統(tǒng)研究了復合材料的結構、形貌和光吸收等性質。通過降解有機污染物和殺菌來表征復合材料的可見光光

9、催化活性。結合貴金屬Ag納米粒子的表面等離子體效應和復合半導體的性質，對Ag/AgBr/BiOBr納米復合材料的高效光催化性能進行了合理解釋。
　　 (3)根據(jù)窄帶隙半導體納米粒子的量子尺寸效應，設計出和合成了新型高效的Bi2S3納米粒子/BiOCl復合光催化材料。研究了不同硫源對制備的Bi2S3納米顆粒尺寸的影響，進而調節(jié)Bi2S3納米粒子/BiOCl復合材料的光吸收。研究了復合材料的結構和形貌等特征。利用2，4-二氯苯酚的分

10、解來評價了Bi2S3納米粒子/BiOCl復合材料光催化活性，并研究了Bi2S3納米粒子的尺寸對該復合材料的光吸收和光催化性能的影響。結合Bi2S3納米粒子的量子尺寸效應和復合半導體材料的性質，探討了Bi2S3納米粒子/BiOCl復合材料的光催化反應過程機理。
　　 在第四章中，我們研究了晶體結構和電子結構調控對鉍系化合物光催化性能的影響。
　　 (1)采用濕化學法，通過控制反應條件制備出了三種晶型的Bi2O3材料，分別為

11、單斜相α-Bi2O3、四方相的β-Bi2O3和立方相的δ-Bi2O3。表征了不同晶型的Bi2O3材料的結構、形貌和光吸收等性質。利用甲基橙染料和對氯苯酚溶液的降解來評價了Bi2O3的光催化性能，發(fā)現(xiàn)其催化活性遵循β-Bi2O3＞α-Bi2O3＞δ-Bi2O3。探討了晶體結構和電子結構的協(xié)同效應對不同晶型的Bi2O3光催化材料的載流子傳輸和光譜吸收的影響，揭示了β-Bi2O3作為一種高效的可見光光催化材料。
　　 (2)利用高溫淬

12、火法合成出了Bi20TiO32亞穩(wěn)相材料。研究了制備過程對Bi20TiO32物相結構的影響。對材料的結構、形貌和光吸收等性質進行了表征。利用可見光下甲基橙染料的降解來評價Bi20TiO32材料的光催化性能。通過對Bi20TiO32材料的能帶結構計算，初步探討了其光催化過程的機理。
　　 在第五章，對本論文的工作進行了總結，分析和討論了現(xiàn)有研究工作存在的問題，并對未來的工作進行了展望。
　　 總之，鉍系層狀化合物材料具有良