硼酸鹽的制備、光催化性質(zhì)及其機(jī)理研究.pdf

1、隨著人類社會步入現(xiàn)代文明，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步伴隨著越來越大的資源消耗和環(huán)境破壞;因此，如何解決上述兩大問題已逐步成為當(dāng)今社會關(guān)注的焦點(diǎn)。光催化技術(shù)是一種利用催化劑有效的將低密度的清潔太陽能轉(zhuǎn)換為高密度的化學(xué)能并進(jìn)一步應(yīng)用于污染物降解、光解水產(chǎn)氫和二氧化碳還原等領(lǐng)域的重要技術(shù)。由于半導(dǎo)體光催化劑是提高光催化反應(yīng)效率的最關(guān)鍵因素，因此在這方面的研究對于緩解人類面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染有著重要的意義及價(jià)值。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的研究探索，大量的具有光催

2、化活性的半導(dǎo)體逐漸被報(bào)道;在堅(jiān)實(shí)的理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)光響應(yīng)范圍窄和量子效率低是制約光催化技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化的重要限制因素。因此，解決上述兩個(gè)問題、使光催化技術(shù)盡快造福于社會是目前該領(lǐng)域極大部分研究工作包括本文的研究重點(diǎn)。
　　探索新型光催化劑、半導(dǎo)體復(fù)合、金屬修飾及離子摻雜等手段是目前拓展光催化劑光響應(yīng)范圍或提高量子效率的有效辦法。但是，隨著科學(xué)的日益發(fā)展，上述各種方法逐步顯示出了一定的局限性。首先，目前在新型光催化劑的研

3、究上雖然已經(jīng)取得了較大程度的成果和局部體系的突破，但該領(lǐng)域在總體研究無法形成統(tǒng)一的體系。其次，就構(gòu)建界面電場而言，其主要方法有半導(dǎo)體復(fù)合與金屬修飾;但界面電場存在電場強(qiáng)度小和界面缺陷多等諸多局限，因此作用范圍小和驅(qū)動(dòng)力弱使該方法對光生載流子分離的促進(jìn)作用有限。最后，以引起晶格畸變?yōu)槟康牡碾x子摻雜由于摻雜種類、摻雜位置、摻雜量和摻雜方法等變量，導(dǎo)致了摻雜對光催化活性的促進(jìn)或抑制作用需要大量工作的摸索。因此，本文期望通過構(gòu)建整個(gè)晶體范圍內(nèi)的

4、方向一致的內(nèi)部極化電場，以大范圍、強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力和少缺陷，達(dá)到促進(jìn)光生電子和空穴高效分離的目的，進(jìn)而從提高量子效率的角度解決材料光催化效率低的問題。本論文著重介紹了Bi2O2[BO2(OH)]和Bi2ZnOB2O6兩種極性光催化材料合成、改性及光催化原理，通過能帶分析及電子結(jié)構(gòu)分析給出了它們偶極矩的大小及方向并進(jìn)一步闡述了內(nèi)建電場促進(jìn)載流子分離的機(jī)制。主要研究內(nèi)容如下:
　　第一章主要介紹了半導(dǎo)體光催化的基本原理、研究現(xiàn)狀及主要應(yīng)用。通

5、過對光催化發(fā)展兩大制約因素的分析提出了硼酸鹽極性材料的內(nèi)部極化電場對提高材料量子效率的優(yōu)勢，進(jìn)而提出了本論文的選題意義及主要研究方向。
　　第二章主要對Bi2O2[BO2(OH)]納米片的合成、生長機(jī)理和載流子分離機(jī)制進(jìn)行了研究。首先通過一步水熱法合成了Bi2O2[BO2(OH)]，并通過對合成條件的調(diào)節(jié)最終得到了Bi2O2[BO2(OH)]納米片;進(jìn)一步通過對中間產(chǎn)物的研究明確了其生長機(jī)理。其后，通過對Bi2O2[BO2(OH)

6、]的電子結(jié)構(gòu)分析得到了其偶極矩及能帶位置，并闡明了內(nèi)建電場促進(jìn)光生載流子分離的原理。最后通過樣品的光催化降解實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論證實(shí)了構(gòu)建內(nèi)建電場是一種高效促進(jìn)載流子分離并提升材料量子效率的方法。
　　第三章主要對Bi2O2[BO2(OH)]納米片進(jìn)行了改性，以期解決極性材料帶隙展寬影響體系光吸收的問題。首先通過離子交換法合成了Bi2S3/Bi2O2[BO2(OH)]復(fù)合材料;通過XRD、SEM等表征手段得到了復(fù)合Bi2S3顆粒大小，并進(jìn)

7、一步分析了具有量子尺寸效應(yīng)的Bi2S3與Bi2O2[BO2(OH)]的能帶關(guān)系;最終證實(shí)了該復(fù)合體系有效的拓展了光響應(yīng)范圍，提高了光催化活性。然后通過水熱過程加入微量貴金屬得到了M@Bi2O2[BO2(OH)](M=Ag、Au、Pt)，通過XRD、SEM及UV-Vis漫反射等手段證實(shí)了體系中貴金屬的存在，同樣該改性方法也使體系的光響應(yīng)范圍得到了拓展，提高了光催化活性。
　　第四章主要合成了Bi2ZnOB2O6微粒，并對其能帶結(jié)構(gòu)和

8、載流子分離機(jī)制進(jìn)行了探索。首先通過固相燒結(jié)法合成了Bi2ZnOB2O6微粒，通過對合成條件的調(diào)節(jié)和XRD、SEM等測試結(jié)果的分析，確定了純相Bi2ZnOB2O6的合成方式;其次利用樣品比表面積和光催化降解速率的關(guān)系，得到了Bi2ZnOB2O6的本征光催化速率;最后通過結(jié)構(gòu)分析確定了Bi2ZnOB2O6的能帶位置和偶極矩，分析了內(nèi)建電場促進(jìn)載流子分離的機(jī)制，得到了其具有高本征光催化活性的根本原因。
　　第五章對本論文工作進(jìn)行了總結(jié)，