论文摘要
1972年，Honda和Fujishima在半导体材料TiO2电极上发现了水的光电催化分解，从此开始了光催化技术研究的新纪元。TiO2是目前被研究和应用最多的半导体光催化剂，在有机和无机污染物处理、裂解水制氢、光催化杀菌、光催化合成等方面都有很广泛的应用。但是TiO2固有的缺陷限制了光催化技术的实际工业应用和发展，如光量子效率偏低、光谱响应范围窄等。围绕这些问题的解决，发展起了半导体光催化技术研究的两个前沿领域：1、对TiO2进行修饰改性，以扩展其有效光频率响应范围，提高太阳光的利用效率，提高其光催化活性；2、开发新型半导体光催化剂，要求其对可见光具有明显的响应，且具有高的光催化活性。本论文主要进行铋基复合氧化物的制备及光催化性能研究，其主要内容包括：层状钙钛矿结构氧化物Bi3TiNbO9纳米光催化剂的制备及性能表征。采用溶胶-凝胶法制备出纳米量级的Bi3TiNbO9材料，利用XRD、TEM、SEM和UV-Vis等分析仪器对Bi3TiNbO9纳米材料的晶相结构、颗粒形貌和光物理性质等进行了表征。XRD表明，500℃退火处理1小时即可制备出结晶性良好的Bi3TiNbO9纳米材料。TEM和SEM观察显示，Bi3TiNbO9呈棒形颗粒状，其晶粒尺寸分布较为均匀，约为100nm左右。利用甲基橙的光降解实验表征了Bi3TiNbO9纳米材料的光催化活性，发现Bi3TiNbO9具有较强的光催化活性。初步探讨其光催化机理认为，结构中存在的键角接近180°的Ti-O-Ti键和Nb-O-Nb键有助于光生载流子的移动，（Bi2O2）2+层与（BiTiNbO7）2-层之间的内电场有利于光生电子空穴的分离，这两个因素都能提高Bi3TiNbO9的光催化活性。采用溶胶-凝胶法制备了烧绿石结构钛酸铋化合物Bi2Ti2O7。运用X射线衍射方法研究了制各过程中前驱液Bi／Ti摩尔比对Bi2Ti2O7结构形成的影响。XRD分析显示，Bi／Ti比为1：1.5获得了Bi2Ti2O7纯相，而不是按照化学计量比1：1时获得。利用制备的Bi2Ti2O7进行了紫外光照射下降解甲基橙实验，发现Bi2Ti2O7具有很高的光催化活性。分析其活性机理认为，Bi2Ti2O7结构中的Bi-O四面体提供了与光生电子反应的活性氧，降低了光生电子空穴的复合率；Ti-O八面体角接形成的无穷[TiO3]链，提高了光生载流子的移动速度，这些都提高了Bi2Ti2O7的光催化活性。采用化学溶液分解法制备了软铋矿相Bi25FeO40和钨酸铋Bi14W2O27。利用XRD和UV-Vis对Bi25FeO40和Bi14W2O27的结构和光物理性质进行了表征，重点研究了它们在可见光照射下降解次甲基兰的光催化活性。实验发现Bi25FeO40和Bi14W2O27在可见光照射下均具有很好的降解次甲基兰的光催化活性。初步探讨它们的光催化机理认为，Bi25FeO40为软铋矿结构，软铋矿相铋氧化合物具有高光敏性能和高载流子流动性，具有很好的光催化活性，而铁离子掺杂形成的Bi25FeO40颜色接近黑色，吸收波长明显向可见光转移，从而具有可见光光催化活性。Bi14W2O27是通过WO3掺杂将δ-Bi2O3稳定在室温而形成的固溶体，是很好的氧离子导体，而在光催化反应过程中，氧气与光生电子的结合是影响光催化活性的重要因素，又因为Bi14W2O27的带隙能为2.8eV，在可见光区有吸收，所以Bi14W2O27具有很好的可见光光催化活性。另外，本文还简单研究了在合成光催化材料过程中生成的亚稳相β-Bi2O3，利用XRD、TEM、SEM等方法对β-Bi2O3的生成机理、颗粒形貌进行了表征。
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