论文部分内容阅读
BiOBr禁带宽度适中,能较好地利用可见光,但其空穴的氧化能力和导带电子的还原能力均较弱。由于BiOBr独特的层状结构和各向异性对形成异质相结调控有利,因此形成异质结是提升BiOBr光催化性能的主要途径。但仍存在2个问题:（1）空穴的氧化或电子还原能力无法通过形成异质结得到提升;（2）能带不匹配易导致形成电子-空穴的复合中心。对价带和导带位置进行调控可以较好地解决上述问题。本文详细研究了稀土（La、Yb）掺杂对BiOBr电子能带结构调控和光催化促进机理。本文首先采用溶剂热法,以CTAB作为有机溴源和表面活性剂,NaBr作为无机溴源,制备了纳米片状结构的BiOBr光催化剂,以及不同含量（0.4%,0.8%,1.6%,3.2%）稀土元素La掺杂的BiOBr。研究了La掺杂对BiOBr能带结构的调控,通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、热重-差热分析（TG-DTA）和N2物理吸附-脱附仪等手段,表征样品物相结构和形貌的变化规律,通过紫外-可见漫反射分光光度计（Uv-vis DRS）、荧光光谱仪（PL）、X射线光电子能谱（XPS）以及电化学工作站表征了样品带隙能、价带和导带电势和光电化学性质的变化规律,通过Materials Studio（MS）软件结合第一性原理计算,分析稀土掺杂对BiOBr能带调控的机理。研究表明,La掺杂可以抑制BiOBr晶粒的长大和促进其晶粒堆叠,形成类囊体结构。更为重要的是,La掺杂改变了BiOBr的能带结构,La-BiOBr具有更正的价带电势和更负的导带电势。La的掺杂同时形成了光生电子的捕获中心,使其相对于BiOBr来说,表现出更强的氧化性。同时利用BiOBr受热自转变形成BiOBr/Bi24O31Br10异质相结的特点,通过调控锻烧温度,研究了La掺杂在受热相转变中对BiOBr热稳定性及其能带结构的调控。结果表明,在高温锻烧下,BiOBr可以转变为Bi24O31Br10,形成BiOBr/Bi24O31Br10 I型异质结,这种异质结会抑制其光催化性能。而掺杂La3+可以提升BiOBr在低温锻烧下的热稳定性（200℃-400℃）,但却使其在高温锻烧下的相变更易发生。更重要的是,La掺杂可以通过不同温度锻烧调控BiOBr光催化剂的价带和导带位置,并形成Ⅱ型BiOBr/Bi24O31Br10异质结促进其光催化性能。此外,基于贵金属Pd可以与BiOBr复合形成肖特基结,从而调控能带结构的原理,采用光沉积法制备了不同含量Pd沉积的x%Pd/BiOBr和x%Pd/0.8%La-BiOBr（x=1%,2%,4%和8%）光催化剂。研究发现,BiOBr在紫外光照下比较稳定,不易发生光腐蚀。但在Pd沉积的过程中,由于稳定性降低,极易发生光腐蚀,引起BiOBr纳米片形貌的腐蚀、结晶度的降低,不利于Pd在其活性晶面的沉积。La的掺杂可以提高BiOBr在Pd沉积过程的稳定性,促进BiOBr活性晶面的暴露,使Pd有效地沉积在BiOBr的活性晶面,形成肖特基异质结,产生SPR效应,极大地促进BiOBr光催化性能的提升。基于La掺杂BiOBr的研究,本文也探讨了稀土Yb掺杂对肖特基结BiOBr的能带调控和光催化促进机理。研究了Yb3+和Yb2+的光致转换发光对BiOBr能带结构、物化性能和光催化性能的影响。同时采用光化学沉积制备了Pd沉积的Yb掺杂BiOBr光催化剂,研究了Yb掺杂和Pd产生的SPR效应对光催化剂性能增强的协同作用。研究表明,Yb的掺杂可以促进BiOBr结晶性能的提高,使BiOBr暴露更多的活性晶面,有利于Pd的沉积形成肖特基结。更重要的是,Yb3+和Yb2+在光照条件下,能够发生光致转换功能,在不断的得失电子中,大大提升了对光的利用效率和光催化效率的提升。