| 题名 | 铁酸铋光催化性能的改性研究 |
| 作者 | 邸丽景 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 导师 | 陈秀娟 ; 杨华 |
| 关键词 | 光催化 BiFeO3 Bi2Fe4O9 改性 氧空位 复合 |
| 学位名称 | 博士 |
| 英文摘要 | 近年来,光催化技术被认为是一种解决环境污染和能源短缺的理想“绿色”技术。BiFeO3和Bi2Fe4O9两种铁酸铋光催化剂,由于其较窄的带隙（2.1 eV）以及良好的结构稳定性,成为目前广泛研究的可见光光催化材料。然而,这两种光催化剂中较高的光生电荷复合几率限制了其在光催化领域的应用。因此,本论文围绕着BiFeO3和Bi2Fe4O9采用不同的方法进行改性研究,旨在提高其光催化降解性能。利用表面氧空位和碳量子点修饰,探究有效拓展光响应范围同时增强光生电荷分离的方法;通过组装Ⅱ型以及p-n型异质结,获得促进铁酸铋光生电荷高效分离的改性措施;通过构建直接Z型异质结,发展高效且光催化氧化还原能力强的可见光铁酸铋复合光催化剂。本研究一方面为铁酸铋满足不同的光催化降解要求提供了可行的改性策略,另一方面为铁酸铋在光催化领域的实用化提供了可参考的理论和实验依据。主要研究内容及获得成果包括:（1）采用简单的NaBH4化学还原法,在BiFeO3纳米颗粒表面引入氧空位层获得BiFeO3-x样品。结合HRTEM观察和XPS分析表明,通过改变NaBH4的还原时间实现对BiFeO3-x样品表面氧空位层厚度的调控。在模拟太阳光照射下对罗丹明B的光催化降解实验发现,与BiFeO3相比,BiFeO3-x样品的光催化活性得到提升,当还原时间为40 min时催化活性最佳。同时BiFeO3-x样品具有良好的光催化稳定性。对BiFeO3-x样品光催化机理分析表明,样品表面的氧空位一方面能够在禁带中引入氧空位态减小带隙,另一方面可以俘获光生电子促进光生电荷的分离,改善了BiFeO3的光催化性能。（2）通过水热法将碳量子点修饰在BiFeO3纳米颗粒表面获得CQDs/BiFeO3复合物,另一方面制备出碳包覆BiFeO3样品C@BiFeO3。对罗丹明B的光催化降解实验表明,碳量子点的修饰明显提高了BiFeO3的模拟太阳光和可见光光催化活性。相比之下,碳包覆的改性效果较弱。碳量子点对BiFeO3光催化活性的提升主要归因于以下两点:一方面,碳量子点在可见光下可以产生光生电子并转移至BiFeO3的导带,同时碳量子点是一种良好的电子受体可以俘获BiFeO3受激产生的光生电子,该过程提高了光生电荷的分离效率。另一方面,碳量子点具有良好的上转换性能,其上转换荧光可以激发BiFeO3,提高了光生电荷的产率。（3）利用水热法将g-C3N4纳米颗粒修饰在BiFeO3微球表面,获得g-C3N4/BiFeO3复合物。SEM和HRTEM观察发现g-C3N4与BiFeO3之间形成完好的异质结。模拟太阳光辐照下对亚甲基蓝的光催化降解实验表明,g-C3N4/BiFeO3复合物的光催化性能得到提升,而且g-C3N4的含量为16%时催化效果最佳。此外,通过对苯酚的光催化降解实验进一步证实其具有的内在光催化性能。光催化机理分析发现,复合物中BiFeO3和g-C3N4形成了Ⅱ型异质结,促进了光生电荷的分离,有利于光催化性能的提高。活性物种俘获实验表明,光生空穴和过氧化氢是本光催化降解反应的主要活性物种,而羟基自由基起到相对次要作用。（4）通过共沉淀法将Ag3PO4纳米颗粒组装在BiFeO3微长方体上,制备出p-n型Ag3PO4/BiFeO3复合物。在可见光照射下研究了Ag3PO4/BiFeO3复合物光催化和光芬顿催化降解酸性橙7的性能。实验发现,Ag3PO4的复合大幅度提高了BiFeO3的光催化活性,并且复合物的内在光催化性能通过对苯酚的降解得到证实。同时Ag3PO4/BiFeO3复合物显示出良好的光芬顿催化降解性能。对Ag3PO4/BiFeO3复合物光催化机理分析可知,该p-n型异质结有力地促进了光生电荷的迁移,提高了光催化和光芬顿催化降解性能。（5）利用共沉淀法将Ag2S纳米颗粒均匀地组装在BiFeO3多面体表面,获得直接Z型Ag2S/BiFeO3复合物。可见光下降解甲基橙的实验表明,相比与BiFeO3,Ag2S/BiFeO3复合物的光催化和光芬顿催化降解性能均得到显著提升,其中Ag2S含量为15%时催化效果最佳。系统考察了催化剂加载量、双氧水浓度以及染料浓度对Ag2S/BiFeO3复合物光芬顿催化降解性能的影响规律。光生电荷行为分析发现,Ag2S的修饰提高了光生电荷的分离效率。活性物种俘获实验说明,光生空穴和超氧自由基是Ag2S/BiFeO3复合物光催化降解染料的主要活性物种,羟基自由基则起到次要作用;而复合物光芬顿催化降解染料的过程中羟基自由基起到主要作用。Ag2S和BiFeO3的能带电位匹配构成直接Z型异质结复合光催化剂。优化了BiFeO3的光催化氧化还原能力,复合物中光生电荷的分离效率同时得到提升,有利于光催化和光芬顿催化活性的提高。（6）采用水热法将Bi2Fe4O9纳米片与g-C3N4和CNT复合获得Z型g-C3N4/CNT/Bi2Fe4O9复合光催化剂。模拟太阳光照射下对酸性橙7的催化降解发现,g-C3N4/CNT/Bi2Fe4O9复合物显示出比Bi2Fe4O9和g-C3N4/Bi2Fe4O9更高的光催化和光芬顿催化降解性能。电化学和荧光测试表明,Z型g-C3N4/CNT/Bi2Fe4O9复合光催化剂中光生电荷的分离效率较Bi2Fe4O9和g-C3N4/Bi2Fe4O9得到有效提高。活性物种俘获实验以及能带电位分析表明,在Z型g-C3N4/CNT/Bi2Fe4O9复合光催化剂中,CNT作为良好的固态电子传输介质存在于g-C3N4和Bi2Fe4O9之间,加速了g-C3N4和Bi2Fe4O9之间电荷的传输,促进光生电荷分离。发展了高效且光催化氧化还原能力强的Z型g-C3N4/CNT/Bi2Fe4O9光催化剂。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 130 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/89928]  |
| 专题 | 兰州理工大学 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 邸丽景. 铁酸铋光催化性能的改性研究[D]. 2019. |
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