【摘 要】
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基于环境问题和人类可持续发展考虑,许多环境友好的无铅压电材料被广泛研究以替代锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3(PZT))压电陶瓷。在众多无铅陶瓷中,铌酸钾钠(K,Na)Nb O3(KNN)基陶瓷由于其优异的压电性能和机电性能等优势,被认为是最有潜力替代铅基陶瓷的材料,并且受到广泛关注。在能量采集器研究领域,由单一能量采集器所提供的能量和稳定性通常都不足以用于实际应用和需求,因此激发了研究者们设计钙
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基于环境问题和人类可持续发展考虑,许多环境友好的无铅压电材料被广泛研究以替代锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3(PZT))压电陶瓷。在众多无铅陶瓷中,铌酸钾钠(K,Na)Nb O3(KNN)基陶瓷由于其优异的压电性能和机电性能等优势,被认为是最有潜力替代铅基陶瓷的材料,并且受到广泛关注。在能量采集器研究领域,由单一能量采集器所提供的能量和稳定性通常都不足以用于实际应用和需求,因此激发了研究者们设计钙钛矿氧化物作为多功能能量采集器。然而,在无铅陶瓷中同时实现带隙降低和高压电系数仍然是个巨大挑战,目前该领域报道的最高压电系数d33只有150 p C/N。因此,设计具有优异的压电性能和光伏性能的无铅材料非常具有研究价值和意义。同时,KNN基陶瓷材料具有一定的光利用能力,良好的铁电性能,以及成本低廉,化学性质稳定等优势,从而激发了我们研究KNN基陶瓷在光催化领域的应用潜力。在本文的第一部分工作中,我们采用改进的两步烧结法制备了陶瓷组分为(1-x)(K0.48,Na0.52)Nb O3-x(Bi0.5Na0.5)(Zr0.5Ni0.5)O3-δ((1-x)KNN-x BNZN)。采用XRD,UV-Vis和阻抗分析仪等设备表征测试了(1-x)KNN-x BNZN陶瓷的相结构,光吸收和带隙等性能。系统地分析了不同BNZN掺杂量对该KNN基陶瓷体系性能的影响,对Ni掺杂引入多段带隙态的机理提出了合理的解释。通过调整BNZN的掺杂量构建了准同型相界MPB,从而使得压电性能,介电性能,铁电性能以及光伏性能均取得最佳值:d33~318±10 p C/N,Pr~30.7μC cm2,Tc~360℃,Voc×Jsc~697.6 n A V cm-2。本章内容可以为设计具有优异压电性能,铁电性能和光伏响应性能的多功能陶瓷材料提供思路。在本文的第二部分工作中,采用光致还原法在KNN-BNZ陶瓷粉末表面负载纳米Ag颗粒。采用XPS,UV-Vis等对KNN-BNZ的导带价带位置和带隙进行了表征,结果表明,KNN-BNZ的带隙Eg~3.33e V,导带CB位置~-0.93 e V,价带VB位置~2.40 e V。通过简单的固相反应法制备的陶瓷粉末即表现出长方体形貌,其可以暴露出特定的高能活性晶面{100},从而有助于光生载流子的分离,提升光催化性能。此外,陶瓷自发极化产生的内建电场也有助于载流子的迁移。这些因素导致陶瓷粉体本身具有较好的光催化降解Rh B性能。在KNN-BNZ颗粒表面负载Ag纳米颗粒后极大增强了其光催化降解Rh B性能。Ag-KNN-BNZ能在光照10 min后将Rh B浓度降解至90%以下。并且循环测试5次后,Ag-KNN-BNZ仍能保持高催化活性,证明了其具有良好的催化性能稳定性。另外,还通过加入活性基团牺牲剂和PL、ESR等手段表征了Ag-KNN-BNZ的Rh B催化机理,研究表明,该体系中Rh B的降解主要是通过光生空穴氧化H2O生成·OH,再通过·OH降解Rh B。在本文的第三部分工作中,研究了KNN-BNZ陶瓷粉末的光催化氧化脱硫性能。这是首次采用陶瓷粉体应用于光催化氧化脱硫领域。实验表明,KNN-BNZ陶瓷粉体具有较好的光催化降解DBT性能,光照2 h DBT浓度降解了~87±1.12%。通过改进极化装置使其能够极化陶瓷粉体,极化KNN-BNZ陶瓷粉体可以在晶体内部引入内建电场,有效促进光生载流子的分离迁移,从而提高了KNN-BNZ压电材料的光催化氧化脱硫性能,2 h脱硫率达到了~92.25±1.40%。
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