BiOX(X=Cl、Br)层状材料的掺杂改性及光催化性能研究

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半导体光催化技术在应对环境污染和能源短缺等问题上为我们开辟了一条新的路径。光催化技术具有成本可控、无污染、能循环利用自然界中可再生的太阳能等优点,引起了广泛关注。寻找高效可见光响应光催化剂是当前光催化研究领域的研究热点。常见的铋基半导体(BiOX)作为一种三元结构的半导体材料具有独特的层状晶体结构和适当的能带宽度,表现出可见光条件下高效的光催化性能而得到了广泛的关注。为进一步提升可见光波段的光催化活性,一方面需要拓展光谱吸收范围,另一方面,需要提升光子利用率。基于此我们通过对BiOX进行掺杂改性,引入缺陷能级来拓展可见光吸收范围,同时利用掺杂后半导体电导率的提升来促进光生电子空穴对的有效分离,从而提升其光催化活性。本文在制备的自组装纳米球状的BiOBr上分别引入Ag,Cu元素研究了金属离子掺杂对BiOBr光催化性能的影响规律。在探究了金属元素掺杂对BiOBr光催化性能影响的基础之上,我们又在制备的BiOBr里进行非金属元素C掺杂,调节掺杂处理时的温度和C含量两个变量来调控BiOBr的能带结构,拓宽光响应范围,进一步提升了BiOBr的光催化性能。最后探讨了卤族元素对BiOCl的改性研究,通过光致还原法制备了掺Ag的BiOCl,研究水解温度对BiOCl中Ag存在形式以及光催化活性的影响。结论如下:(1)掺杂Ag离子进入BiOBr里,成功构造Ag/Ag Br/BiOBr三相结构。通过调整Ag的掺杂含量,对光催化剂中Ag的存在形式有极大影响,从而实现三相催化剂的微观结构调控。Ag掺杂的BiOBr样品表现出优越的光催化活性。在120分钟可见光辐照下光催化降解罗丹明的速率为BiOBr的10倍。光催化性能的提升主要归因于Ag的等离子体效应和Ag纳米颗粒对光生电子的有效转移。(2)通过在BiOBr里掺杂Cu,Cu的引入改变了BiOBr的微观形貌,由规则的纳米球状变为不规则的团簇状,提供了更多的表面活性位点。Cu掺杂有效调控了其能带结构,Cu作为电子受体增强了光生载流子的分离和传输效率。当掺Cu量小于3%时光电流强度随之增加,当掺Cu量大于3%时,光电流强度随之减小。掺Cu后样品的光催化活性有了明显的提升,可见光降解罗丹明B的速率从4.69×10-3min-1提升54.73×10-3min-1。(3)制备C掺杂的BiOBr,发现C掺杂有效地拓展了BiOBr的可见光响应范围,调控了能带结构。C掺杂带来的光催化性能提升归因于掺C后C与O成键带来晶格结构的变化从而导致能带结构的调控。在160 oC的温度下,掺C比例为7:5的BiOBr表现出最优异的光催化性能。(4)通过制备Ag负载的BiOCl纳米片,Ag在光照下并没有被还原为Ag单质,掺入BiOCl中的Ag以Ag Cl形式存在。Ag Cl/BiOCl异质结的构筑在一定程度上增强了BiOCl的可见光响应,减小了禁带宽度,有利于光生电子空穴对的分离和传输,提升了其光催化活性。
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