硼酸鹽的制備、光催化性質及其機理研究.pdf

1、隨著人類社會步入現(xiàn)代文明，科學技術的進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今社會關注的焦點。光催化技術是一種利用催化劑有效的將低密度的清潔太陽能轉換為高密度的化學能并進一步應用于污染物降解、光解水產(chǎn)氫和二氧化碳還原等領域的重要技術。由于半導體光催化劑是提高光催化反應效率的最關鍵因素，因此在這方面的研究對于緩解人類面臨的能源危機和環(huán)境污染有著重要的意義及價值。經(jīng)過近半個世紀的研究探索，大量的具有光催

2、化活性的半導體逐漸被報道;在堅實的理論及實驗基礎上科學家們發(fā)現(xiàn)光響應范圍窄和量子效率低是制約光催化技術大規(guī)模工業(yè)化的重要限制因素。因此，解決上述兩個問題、使光催化技術盡快造福于社會是目前該領域極大部分研究工作包括本文的研究重點。
　　探索新型光催化劑、半導體復合、金屬修飾及離子摻雜等手段是目前拓展光催化劑光響應范圍或提高量子效率的有效辦法。但是，隨著科學的日益發(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，但該領域在總體研究無法形成統(tǒng)一的體系。其次，就構建界面電場而言，其主要方法有半導體復合與金屬修飾;但界面電場存在電場強度小和界面缺陷多等諸多局限，因此作用范圍小和驅動力弱使該方法對光生載流子分離的促進作用有限。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，導致了摻雜對光催化活性的促進或抑制作用需要大量工作的摸索。因此，本文期望通過構建整個晶體范圍內的

4、方向一致的內部極化電場，以大范圍、強驅動力和少缺陷，達到促進光生電子和空穴高效分離的目的，進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構分析給出了它們偶極矩的大小及方向并進一步闡述了內建電場促進載流子分離的機制。主要研究內容如下:
　　第一章主要介紹了半導體光催化的基本原理、研究現(xiàn)狀及主要應用。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部極化電場對提高材料量子效率的優(yōu)勢，進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、生長機理和載流子分離機制進行了研究。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節(jié)最終得到了Bi2O2[BO2(OH)]納米片;進一步通過對中間產(chǎn)物的研究明確了其生長機理。其后，通過對Bi2O2[BO2(OH)

6、]的電子結構分析得到了其偶極矩及能帶位置，并闡明了內建電場促進光生載流子分離的原理。最后通過樣品的光催化降解實驗結合理論證實了構建內建電場是一種高效促進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)]復合材料;通過XRD、SEM等表征手段得到了復合Bi2S3顆粒大小，并進

7、一步分析了具有量子尺寸效應的Bi2S3與Bi2O2[BO2(OH)]的能帶關系;最終證實了該復合體系有效的拓展了光響應范圍，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，并對其能帶結構和

8、載流子分離機制進行了探索。首先通過固相燒結法合成了Bi2ZnOB2O6微粒，通過對合成條件的調節(jié)和XRD、SEM等測試結果的分析，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系，得到了Bi2ZnOB2O6的本征光催化速率;最后通過結構分析確定了Bi2ZnOB2O6的能帶位置和偶極矩，分析了內建電場促進載流子分離的機制，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行了總結，