鐵酸鉍系半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)及其光催化性能.pdf

1、隨著全球工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類在各個學(xué)科領(lǐng)域取得輝煌成就的同時所帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，甚至開始威脅人類自身健康以及其他生物的生存環(huán)境。有機(jī)污染物是造成水污染的主要原因，而光催化技術(shù)可以利用太陽能有效地降解有機(jī)物污染，因此制備具有高量子產(chǎn)率且對可見光有快速響應(yīng)能力的光催化材料是目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。鐵酸鉍系化合物(BiFeO3、Bi2Fe4O9和Bi25FeO40)作為窄帶隙半導(dǎo)體，在可見光波長范圍內(nèi)的光響應(yīng)特性，預(yù)示著其在光催化

2、領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。本文采用第一性原理理論計(jì)算與水熱合成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)地研究了鐵酸鉍系化合物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)及其光吸收和光催化性能，考察了貴金屬Ag對鐵酸鉍系化合物光催化性能的影響。
　　第一性原理計(jì)算結(jié)果顯示：(1)BiFeO3屬于直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙為2.013eV；經(jīng)Ag摻雜之后BiFeO3轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙降低為1.301eV。(2)Bi2Fe4O9為間接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙值為1.922eV；Bi2

3、5FeO40為直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙值為1.817eV。(3)通過分析BiFeO3和Bi2Fe4O9的外層電子布局，發(fā)現(xiàn)Fe-O為共價鍵，而Bi-O形成了離子鍵。(4)光電性質(zhì)計(jì)算結(jié)果顯示BiFeO3、Bi2Fe4O9以及Ag摻雜BiFeO3在可見光范圍內(nèi)均具有明顯的光吸收特性。
　　通過調(diào)整水熱法工藝參數(shù)可以制備純相BiFeO3、Bi2Fe4O9和Bi25FeO40粉體。三種半導(dǎo)體材料的最佳合成工藝參數(shù)分別為：對于BiFeO3，

4、KOH濃度為8.5M的情況下，200℃反應(yīng)12h可以得到尺寸為10μm的由細(xì)小顆粒集聚而成的團(tuán)聚體；對于Bi2Fe4O9，KOH濃度為4M的情況下，200℃反應(yīng)6h可以得到形貌尺寸為幾十納米厚的單分散薄片。對于Bi25FeO40，KOH濃度為4M的情況下，80℃反應(yīng)12h便可獲得正方形薄片層狀疊加而成的純相Bi25FeO40粉體。
　　由光吸收性能測試結(jié)果得出了BiFeO3、Bi2Fe4O9以及Bi25FeO40的帶隙值分別為1.

5、93eV、1.4eV或1.7eV(Bi2Fe4O9為雙帶隙材料)和1.63eV，與第一性原理計(jì)算結(jié)果相符。光催化性能測試結(jié)果表明三者均有很強(qiáng)的光催化降解亞甲基藍(lán)溶液的能力。光照射120min后，亞甲基藍(lán)溶液濃度降解效率依次為Bi2Fe4O9(81.3％)、BiFeO3(86.3%)、Ag-BiFeO3(87.0%)以及Bi25FeO40(87.2%)，說明層狀結(jié)構(gòu)Bi25FeO40粉體光催化效果最好，完全可以替代BiFeO3作為性能最佳