鐵基氧化物窄帶隙半導(dǎo)體材料的制備及性能研究.pdf

1、近年來，半導(dǎo)體光催化技術(shù)在空氣/水體凈化清潔、有害污染物治理等方面的重大應(yīng)用價值受到極大關(guān)注和廣泛研究，被認(rèn)為是解決工業(yè)化發(fā)展所致全球環(huán)境污染問題的一種重要的污染治理技術(shù)。其中，開發(fā)高效半導(dǎo)體光催化劑是技術(shù)關(guān)鍵之一。目前，主要有兩大類的半導(dǎo)體光催化劑：一類是以TiO2為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料及其摻雜體系；另一類是全新組成的窄帶隙半導(dǎo)體材料。與傳統(tǒng)的TiO2寬帶隙材料相比較，窄帶隙半導(dǎo)體材料因其能夠有效吸收利用可見波段的太陽光能量的特性，可

2、用來在可見光條件下進行有機物降解及光解水制氫等優(yōu)異特性，成為新型半導(dǎo)體材料的研發(fā)熱點。
　　 本文在綜述了窄帶隙半導(dǎo)體制備和研究進展的基礎(chǔ)上，提出圍繞鐵基半導(dǎo)體材料的制備、結(jié)構(gòu)物相表征和特性研究開展研究工作，分別采用水熱法、固相法和溶膠凝膠法制備了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BiFeO3，SiO2/YFeO3復(fù)合物和Aurivillius相化合物Bi5Ti3FeO15；重點開展原料配比，反應(yīng)溫度，保溫時間，包覆次數(shù)等工藝條件對合成樣品的物相合成

3、規(guī)律、物相結(jié)構(gòu)和種類，以及合成產(chǎn)物可見光條件下光催化降解甲基橙(MO)特性的影響作用；此外，對納米尺寸Bi5Ti3FeO15的水熱合成路線、半導(dǎo)體特性以及磁學(xué)性能進行了分析和表征。
　　 論文第一部分，是以Bi2O3，F(xiàn)e2O3，硝酸鹽為原料，采用固相法和水熱法制備BiFeO3的研究工作。固相合成工藝中，重點開展了原料配比，原料種類和燒結(jié)溫度對合成純相BiFeO3的影響規(guī)律，以及產(chǎn)物的可見光催化性能。同時，在礦化劑的輔助作用下利

4、用水熱條件合成了BiFeO3；并對固相法和水熱法合成BiFeO3的物相形成條件，以及產(chǎn)物在可見光催化性能方面的差異進行了對比分析。
　　 結(jié)果表明，采用固相法合成BiFeO3時，增加原料的鉍/鐵比，較容易產(chǎn)生Bi25FeO40雜相；固定鉍/鐵比為1時，反應(yīng)溫度對產(chǎn)物純度有重要影響，提高反應(yīng)溫度容易產(chǎn)生Bi2Fe4O9雜相。此外，采用納米Fe2O3顆粒作為原料，經(jīng)分析這與固相反應(yīng)中納米Fe2O3容易和Bi2O3混合，原料顆粒表面能

5、、固相反應(yīng)擴散速率增加等因素有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，獲得了固相法合成雜質(zhì)較少的的單相BiFeO3的適宜工藝條件：原料鉍/鐵比為1：1，在830℃溫度下保溫3h。
　　 在水熱法制備BiFeO3工藝中，在一定的保溫時間條件下提高反應(yīng)溫度，或者在一定的反應(yīng)溫度下增加保溫時間，都有利于促進BiFeO3的生成。光催化效率測試結(jié)果表明，固相法合成的含有雜相的BiFeO3產(chǎn)物，可見光催化效率要好于水熱合成純相BiFeO3的光催化效率。這種差異的原

6、因可能與雜相輔助BiFeO3降解MO的機制有關(guān)，此外，光催化性能高低與BiFeO3的產(chǎn)物顆粒自形發(fā)育狀態(tài)及晶格缺陷有關(guān)。
　　 論文第二部分工作，是采用Pechini溶膠－凝膠法，在非晶SiO2微球上復(fù)合VFeO3。通過將YFeO3前驅(qū)液沉淀涂覆，制備不同包覆次數(shù)的SiO2/YFeO3復(fù)合物，研究了不同包覆次數(shù)對SiO2/YFeO3復(fù)合物的形貌、可見光催化性能的影響規(guī)律，以及不同包覆次數(shù)產(chǎn)物降解MO過程和降解動力學(xué)規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)

7、，增加包覆次數(shù)，產(chǎn)物可見光催化降解MO的效率提高。
　　 論文第三部分工作，通過水熱法和固相法制備Aurivillius相化合物Bi5Ti3FeO15。在水熱法工藝中，探明了增加保溫時間條件下，產(chǎn)物Bi5Ti3FeO15相的生成過程和結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。在固相法工藝中，通過改變燒結(jié)溫度獲得了合成單相Bi5Ti3FeO15的最佳燒結(jié)條件。研究發(fā)現(xiàn)，水熱法工藝中200℃保溫48h，固相法900℃保溫5小時，可制備出單相的Bi5Ti3FeO