高活性铋基复合氧化物可见光催化剂的合成及机制研究

摘要

日益增长的环境问题以及可再生能源的不断衰竭使得人们开始关注和寻找新的技术手段和方法来解决人类未来所要面临的生存压力。其中半导体光催化技术引起了广大科学研究者的高度重视，这是因为它是一种绿色环保技术且廉价、高效、没有二次污染。为了更加高效地利用太阳光谱中占有45％左右的可见光部分，开发具有可见光响应的光催化剂自然成为了人们研究的热点。铋基氧化物材料通常具有可见光响应以及独特物理化学性质，因此在电子器件、医药及催化领域得到了广泛的研究和应用。在众多的铋基氧化物材料中，BiVO4是一种理想的催化剂，尤其是近年来在光催化领域的研究。但在实际应用过程中仍存在自身电子空穴分离效率较差的问题，这主要是由于其导带位置偏低，电子还原能力较差引起的。另外比表面积的大小也是影响其光催化性能的一个重要因素。因此进一步改善BiVO4载流子的分离情况是十分有意义的工作。本文拟利用宽带隙且具有高导带位置的ZnO纳米粒子来耦合BiVO4来实现高能电子转移的过程。进一步通过对BiVO4造孔增大其比表面积和构筑桥连复合体等方法使得BiVO4的光催化活性得到提高，并对活性提高的机制进行详细的分析。
　　基于以上分析，本文以铋基氧化物材料中代表物质BiVO4为例开展了相关研究。首先，利用湿化学方法合成ZnO/BiVO4纳米复合体光催化剂。研究结果表明，适量的ZnO纳米粒子的引入有利于提高BiVO4的光生载流子分离效率及可见光催化活性。这是因为ZnO的引入实现了高能电子的转移过程，进而提高了BiVO4在可见光下的催化活性。另外通过多孔BiVO4纳米材料的制备，增大了其比表面积，更加有利于BiVO4纳米粒子对光的吸收以及和ZnO的复合。
　　其次，针对两种半导体晶格不匹配带来的问题，拟通过引入了硅桥来提高二者的连接程度。本文通过湿化学法实现了在BiVO4和ZnO之间引入了硅分子桥。相关实验结果表明，硅的确是以分子桥的形式存在于两种半导体氧化物之间。硅桥的引入进一步提高了复合体的载流子分离效率，光催化活性和光电转换效率。这是因为硅分子桥使得两者连接程度更有效，更利于高能电子的转移和传输过程。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 半导体光催化剂的研究进展

1．2．1 半导体光催化技术简介

1．2．2 半导体光催化原理

1．3 半导体光催化材料

1．3．1 光催化材料的分类

1．3．2 可见光响应的光催化材料的研究进展

1．4 纳米BiVO4材料的研究进展

1．4．1 BiVO4的晶体结构

1．4．2 纳米BiVO4的应用

1．4．3 提高BiVO4光催化活性的办法

1．5 ZnO的研究进展

1．5．1 ZnO的晶体结构

1．5．2 ZnO的应用

1．6 课题的立题依据及研究的内容

1．6．1 课题的立题依据

1．6．2 研究内容及意义

第2章 实验材料及实验方法

2．1 实验试剂和仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 催化剂的表征方法

2．2．1 X-射线衍射

2．2．2 紫外-可见分光光度计

2．2．3 拉曼光谱仪

2．2．4 傅里叶变换红外光谱仪

2．2．5 透射电子显微镜

2．2．6 稳态表面光电压谱

2．2．7 瞬态表面光电压谱

2．2．8 羟基自由基测试

2．2．9 电子顺磁共振谱

2．2．10 电化学工作站

2．3 催化剂光催化活性评价

2．3．1 液相降解苯酚

2．3．2 气相降解乙醛

第3章 ZnO／BiVO4纳米复合体系的构筑及光催化性能

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 样品的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 ZnO／BiVO4纳米复合体的结构表征

3．3．2 光生电荷分离性质

3．3．3 可见光光催化活性测试

3．3．4 机制分析

3．3．5 多孔BiVO4与ZnO的复合体系

3．4 本章小结

第4章 硅桥连对ZnO／BiVO4纳米复合体系的影响

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 样品的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 硅桥连ZnO／BiVO4纳米复合体的结构表征

4．3．2 光生电荷分离性质

4．3．3 可见光光催化活性测试

4．3．4 机制分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

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