金属离子掺杂纳米晶氧化铋薄膜制备及其光催化性能研究

论文摘要

半导体Bi2O3的禁带能为2.8eV左右,能吸收较长波长的光辐射,是一种理想的半导体光催化剂。Bi2O3薄膜在光催化氧化处理有机废水时,克服了粉体难分离回收的缺点,提高了其重复使用率。本文采用溶胶-凝胶法制备纳米晶Bi2O3薄膜,通过金属离子掺杂提高其吸收光谱与太阳光谱的匹配性,从而得到高光催化活性的纳米晶Bi2O3薄膜。研究了前驱体硝酸铋、有机助剂、退火温度和金属离子掺杂等对纳米晶Bi2O3薄膜性能的影响。结果表明,金属离子掺杂后Bi2O3薄膜的光催化性能显著提高。紫外光下,15min的掺杂Cu2+和Fe3+的Bi2O3薄膜罗丹明B降解率达到98%,Co2+掺杂Bi2O3薄膜罗丹明B降解率达到97%。采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和紫外可见吸收光谱（UV-Vis）等测试手段,对掺杂前后Bi2O3薄膜的晶型、晶粒大小、表面粗糙度及吸收光谱进行了分析。结果表明,所得纳米晶Bi2O3薄膜以四方相的β- Bi2O3为主晶相,并含有少量单斜相的- Bi2O3。Cu2+和Fe3+的掺杂,使得掺杂后Bi2O3薄膜的禁带能降低、UV-Vis吸收光谱强度增加,因而提高了Bi2O3薄膜的光催化活性。Co2+的掺杂,一方面使得Bi2O3薄膜表面粗糙度增加,Bi2O3晶粒细化,另一方面使得Bi2O3禁带能下降、UV-Vis吸收光谱强度增加,从而提高了Bi2O3薄膜的光催化活性。通过光催化降解试验对罗丹明B初始浓度和光催化降解速率进行测定和分析,探讨了溶胶凝胶法所得纳米晶Bi2O3薄膜的光催化降解反应动力学。结果表明,掺杂前后Bi2O3薄膜对罗丹明B的降解都符合Langmuir-Hinshlwood反应动力学方程,掺杂前后所得Bi2O3薄膜对10mg·L-1的罗丹明B的降解反应符合表观一级动力学方程。Cu2+和Co2+掺杂使Bi2O3薄膜光催化降解罗丹明B的表观反应速率常数提高了4倍,而Fe3+使掺杂Bi2O3薄膜光催化降解罗丹明B的表观反应速率常数提高了3.6倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源和目的意义
• 2O₃ 光催化剂的研究'>1.2 Bi₂O₃光催化剂的研究
• 2O₃ 光催化剂的性质'>1.2.1 Bi₂O₃光催化剂的性质
• 2O₃ 半导体的能带位置'>1.2.2 Bi₂O₃半导体的能带位置
• 2O₃ 光催化反应机理'>1.2.3 Bi₂O₃光催化反应机理
• 2O₃ 光催化能力的途径'>1.3 提高Bi₂O₃光催化能力的途径
• 1.3.1 复合催化剂
• 1.3.2 离子掺杂
• 1.3.3 表面光敏化
• 1.3.4 表面螯合和衍生
• 2O₃ 光催化剂的制备'>1.4 Bi₂O₃光催化剂的制备
• 1.4.1 物理方法
• 1.4.2 化学方法
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 实验材料及研究方法
• 2.1 实验药品与仪器
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验的主要仪器
• 2.1.3 浸渍提拉制膜设备
• 2.1.4 光催化实验设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 浸渍提拉法制膜
• 2.2.2 测试方法
• 2O₃ 薄膜光催化性能评价'>2.2.3 Bi₂O₃薄膜光催化性能评价
• 2O₃ 薄膜'>第3章 溶胶凝胶法制备纳米晶Bi₂O₃薄膜
• 2O₃ 溶胶的制备'>3.1 Bi₂O₃溶胶的制备
• 3.1.1 硝酸铋水溶液的配制
• 3.1.2 有机添加剂对体系的影响
• 2O₃ 薄膜的制备'>3.2 Bi₂O₃薄膜的制备
• 3.2.1 制膜工艺研究
• 3.2.2 烧结工艺研究
• 3.3 本章小结
• 2O₃ 薄膜研究'>第4章 金属离子掺杂Bi₂O₃薄膜研究
• 2+掺杂对Bi₂O₃ 薄膜性能的影响'>4.1 Cu²⁺掺杂对Bi₂O₃薄膜性能的影响
• 2+掺杂对Bi₂O₃ 薄膜结构的影响'>4.1.1 Cu²⁺掺杂对Bi₂O₃薄膜结构的影响
• 2+掺杂Bi₂O₃ 薄膜光学性能分析'>4.1.2 Cu²⁺掺杂Bi₂O₃薄膜光学性能分析
• 2+掺杂对Bi₂O₃ 薄膜光催化性能的影响'>4.1.3 Cu²⁺掺杂对Bi₂O₃薄膜光催化性能的影响
• 3+掺杂对Bi₂O₃ 薄膜性能的影响'>4.2 Fe³⁺掺杂对Bi₂O₃薄膜性能的影响
• 3+掺杂对Bi₂O₃ 薄膜结构的影响'>4.2.1 Fe³⁺掺杂对Bi₂O₃薄膜结构的影响
• 3+掺杂Bi₂O₃ 薄膜光学性能分析'>4.2.2 Fe³⁺掺杂Bi₂O₃薄膜光学性能分析
• 3+掺杂对Bi₂O₃ 薄膜光催化性能的影响'>4.2.3 Fe³⁺掺杂对Bi₂O₃薄膜光催化性能的影响
• 2+掺杂对Bi₂O₃ 薄膜性能的影响'>4.3 Co²⁺掺杂对Bi₂O₃薄膜性能的影响
• 2+掺杂对Bi₂O₃ 薄膜结构的影响'>4.3.1 Co²⁺掺杂对Bi₂O₃薄膜结构的影响
• 2+掺杂Bi₂O₃ 薄膜光学性能分析'>4.3.2 Co²⁺掺杂Bi₂O₃薄膜光学性能分析
• 2+掺杂对Bi₂O₃ 薄膜光催化性能的影响'>4.3.3 Co²⁺掺杂对Bi₂O₃薄膜光催化性能的影响
• 4.4 不同金属离子掺杂影响的比较
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢