铁酸铋纳米材料的化学合成、表征及其光电转换与光催化特性

摘要

BiFeO3在室温是单相多铁材料，BiFeO3和Bi2Fe4O9近年来受到材料科学与凝聚态物理领域科学家的极大关注。合成纯相的BiFeO3或Bi2Fe4O9相当困难，这阻碍了人们对其本征特性的研究。本论文用化学共沉淀法合成了多种形貌的纯相BiFeO3和Bi2Fe4O9纳米晶，研究了它们的微观结构和生长机制、光学性能和能带结构、光电转换与光催化以及Fenton-like（类芬顿）效应。
　　 选用NaOH和NH4OH为沉淀剂，用共沉淀法合成了纯相的BiFeO3和Bi2Fe4O9纳米晶，包括BiFeO3和Bi2Fe4O9纳米颗粒、BiFeO3纳米片、Bi2Fe4O9纳米棒、以及BiFeO31纳米方块。透射电镜观察表明，Bi2Fe4O9纳米棒横向尺寸100-200nm，长约0.2-2μm，纳米棒沿[001]方向生长，其侧面为(110)和(110)。分析认为，沉淀剂中的OH-离子吸附使Bi2Fe4O9纳米棒生长遵循取向连接机制。BiFeO3纳米薄片属菱方畸变钙钛矿结构，面内尺寸50-200nm，有较大的比表面积58.3m2g-1。
　　 紫外可见吸收谱结果表明，BiFeO3纳米颗粒和纳米片在可见光区有较好吸收，其带隙分别为1.93eV和1.99eV。Bi2Fe4O9纳米棒的双带隙分别为2.05eV和1.53eV。可见，半导体BiFeO3和Bi2Fe4O9的带隙较窄，能有效吸收太阳光。
　　 研究了BiFeO3和Bi2Fe4O9纳米晶的光电转换性能。结果表明，在模拟日光和可见光的照射下，BiFeO3纳米颗粒的光电流密度分别为39和33μA/cm2。其可见光光电流密度高于已报道的用相同方法测量的BiFeO3纳米晶(～5.2μA/cm2)。首次报道了Bi2Fe4O9纳米晶的光电转换性能。在全光和可见光照射下，Bi2Fe4O9纳米颗粒的光电流密度分别为41和35μA/cm2，Bi2Fe4O9纳米棒的光电流密度分别为47和37μA/cm2。Bi2Fe4O9纳米棒的光电转换效率最高，源于其带隙合适和对可见光具有高活性的(110)和(110)侧面的外露比重大;另外，其小尺寸和规则外形也有利于电子和空穴的传输，减少了电子和空穴的复合几率，从而提高了光电转换效率。可见，BiFeO3和Bi2Fe4O9纳米晶在太阳能电池光电极、光解水制氢等方面有诱人的应用前景。
　　 研究了BiFeO3和Bi2Fe4O9纳米晶的光催化与类Fenton效应，即测量了纳米晶在可见光辐照或(和)H2O2作用下对罗丹明B(RhB)的催化性能。发现BiFeO3纳米片的催化能力高于其纳米颗粒。BiFeO3(或Bi2Fe4O9)+H2O2构成新型类Fenton试剂，能有效降解RhB;在可见光照射和中性条件下，反应6h后，BiFeO3纳米片类Fenton试剂对RhB的降解率最高，达93％。Bi2Fe4O9纳米颗粒和纳米棒在可见光或H2O2作用下对RhB的降解能力不同。用可见光照射Bi2Fe4O9+H2O2时，Bi2Fe4O9纳米颗粒构成的类Fenton试剂降解率增强为54％，而纳米棒构成的试剂降解率下降至49％。可见，BiFeO3和Bi2Fe4O9纳米晶在有机物降解等污水处理方面有广阔的应用前景。

目录

摘要

引言

第一章 绪论

1．1 多铁性材料

1．1．1 铁电和铁磁性简介

1．1．2 多铁性材料的发展

1．2 半导体材料及其在光电转换和环境处理方面的应用

1．2．1 半导体材料特点

1．2．2 光电转换技术研究进展

1．2．3 光催化技术研究进展

1．3 铁酸铋制备研究现状

1．3．1 薄膜的制备

1．3．2 陶瓷的制备

1．3．3 粉体的制备

1．4 铁酸铋性能研究进展

1．4．1 BiFeO3的结构和性能

1．4．2 Bi2Fe4O9的结构和性能

1．5 本论文的主要内容

第二章 铁酸铋的制备工艺与表征方法

2．1 化学共沉淀法制备铁酸铋纳米结构

2．2 铁酸铋纳米结构和形貌表征

2．2．1 显微结构表征方法

2．2．2 化学成份分析

2．2．3 BET测量

2．3 性能测量

2．3．1 光学性能

2．3．2 光电转换性能

2．3．3 光催化性能

第三章 制备工艺对铁酸铋物相组成及形貌的影响

3．1 氢氧化钠做沉淀剂对铁酸铋粉体结构和形貌的影晌

3．1．1 热处理温度对铁酸铋物相的影响

3．1．2 热处理温度对铁酸铋形貌的影响

3．1．3 Bi过量对铁酸铋物相组成的影响

3．1．4 Bi过量对Bi2Fe4O9形貌的影响

3．1．5 pH对铁酸铋物相的影响

3．1．6 pH对铁酸铋形貌的影响

3．2 NH4OH做沉淀剂对铁酸铋粉体结构和形貌的影响

3．2．1 热处理温度对铁酸铋物相组成的影响

3．2．2 热处理温度对铁酸铋物相形貌的影响

3．2．3 Bi含量对铁酸铋物相组成的影响

3．2．4 Bi过量对铁酸铋形貌的影响

3．2．5 不同沉淀剂对铁酸铋形貌的影响

3．3 铁酸铋Bi2Fe4O9纳米棒生长过程的研究

3．3．1 铁酸铋Bi2Fe4O9纳米棒的结构和生长方向

3．3．2 铁酸铋Bi2Fe4O9纳米棒的生长机制

3．4 小结

第四章 铁酸铋纳米晶体光学及光电转换性能研究

4．1 铁酸铋纳米晶体光学性能

4．1．1 BiFeO3纳米颗粒的光学性能

4．1．2 Bi2Fe4O9纳米晶体的光学性能

4．2 铁酸铋纳米晶光电转换性能

4．2．1 BiFeO3纳米颗粒的光电性能

4．2．2 Bi2Fe4O9纳米晶的光电性能

4．3 小结

第五章 铁酸铋可见光光催化和Fenton-like效应研究

5．1 BiFeO3纳米晶体催化性能

5．1．1 BiFeO3纳米颗粒的可见光光催化

5．1．2 BiFeO3纳米颗粒的Fenton-like效应

5．1．3 BiFeO3纳米片可见光光催化

5．1．4 BiFeO3纳米片Fenton-like效应

5．2 Bi2Fe4O9纳米晶体催化性能

5．2．1 Bi2Fe4O9纳米颗粒的可见光催化

5．2．2 Bi2Fe4O9纳米颗粒的Fenton-like效应

5．2．3 Bi2Fe4O9纳米棒的可见光光催化

5．2．4 Bi2Fe4O9纳米棒的Fenton-like效应

5．3 小结

结论

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢

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