铋系复合氧化物纳米晶光催化剂的制备及表征

摘要

环境污染和能源短缺是当今社会面临的两大问题，如何有效地解决这两大问题是众多科学工作者努力工作的方向。在众多的半导体光催化剂材料中，TiO<,2>以其强氧化性、光诱导超亲水性、无毒性和长期稳定性在净化环境方面表现出重要的应用前景。然而，TiO<,2>光催化材料因其光生电子一空穴对复合几率较高，禁带宽度较大等不利条件严重阻碍了其在光催化氧化技术领域中的推广应用。近年来，为了解决这个问题，有不少研究者提出Bi<,2>InNbO<,7>、Bi<,4>Ti<,3>O<,12>、Bi<,2>Ti<,2>O<,7>、Bi<,l2>TiO<,20>、Bi<,2>WO<,6>和BiVO<,4>等含Bi的金属复合氧化物可作为具有可见光响应的新型光催化剂。然而，其中一些复合氧化物的制备方法因其本身固有缺陷严重影响了它们的光催化性能。因此，为了制备高活性的光催化材料，本文开展了以下几个方面的研究工作。 1．以硝酸铋(Bi(NO<,3>)<,3>·5H<,2>O)和钛酸丁酯(Ti(OC<,4>H<,9>)<,4>)为原料，以氢氧化钾(KOH)为矿化剂，通过控制矿化剂浓度、反应温度和反应时间等条件等，采用水热方法首次制备出纯度高，结晶发育良好，分散性好，无团聚、大小为10μmBi<,12>Tio<,20>正四面体微单晶，其最佳工艺条件为：[KOH]=4.5mol／L，反应温度为180℃，反应时间为4h。为得到Bi<,l2>TiO<,20>纳米尺寸粉体，本论文中提出一种新颖的制备方法一异丙醇辅助水热法。采用硝酸铋(Bi(NO<,3>)<,3>·5H<,2>O)和硫酸钛Ti(SO<,4>)<,2>为原料，在反应温度为140℃，反应时间为lh，异丙醇浓度为20vol％的条件下，制备出了大小约为10m并具有良好结晶度的Bi<,12>TiO<,20>纳米晶粉体，从而实现了Bi<,12>TiO<,20>米晶粉体的低温合成；UV-Vis分析结果显示，所合成的粉体在紫外光区和可见光区均具有较好的光吸收性能。 2．以OP(聚乙烯醇壬基苯酚醚)为乳化剂，环己烷为油相，正丁醇为助剂，硝酸铋(Bi(NO<,3>)<,3>·5H<,2>O)和硫酸钛Ti(SO<,4>)<,2>为原料，采用反相微乳法成功地合成出Bi<,4>Ti<,3>O<,12>纳米晶粉体；并利用X-ray衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、红外光谱(FT—IR和紫外一可见分光光谱(UV-Vis)等分析技术对制备的样品进行了表征。结果显示，与传统共沉淀法所合成的粉体相比，此方法所合成的粉体颗粒不仅尺寸较小，约为35nm，而且形状规则，粒径分布均匀，在可见光区也具有较好的光吸收性能。 3.以硝酸铋(Bi(NO<,3>)<,3>·5H<,2>O)和钨酸钠(Na<,2>WO<,4>·2H<,2>O)为原料，以硝酸锂(LiNO<,3>)和硝酸纳(NaNO<,3>)的混合物为反应介质，混合比为27:23(重量比)，采用低温熔盐法成功地制备出具有不同形貌的Bi<,2>WO<,6>纳米晶粉体；并利用XRD和TEM等分析技术分别对所制的样品进行了表征。结果显示，Bi<,2>WO<,6>纳米晶粉体颗粒的形貌主要由不同的反应温度和反应介质与前躯体的不同混合比例所控制；另外，UV-Vis光谱分析结果显示，所制各的Bi2W06纳米晶粉体在紫外光区和可见光区均具有良好的吸收性能。 4.以硝酸铋(Bi(NO<,3>)<,3>·5H<,2>O)和钼酸钠(Na<,2>MoO<,4>·2H<,2>O)为原料，以硝酸锂为反应介质，采用一种简单的低温熔盐法在350℃成功地制备出Bi<,2>MoO<,6>粉体，其主要由薄片状纳米颗粒组成；利用XRD、TEM和UV-Vis等分析技术对所制得的样品进行了表征。并通过室温下紫外光光催化降解罗丹明B(RhB)对Bi<,2>MoO<,6>纳米晶粉体的光催化活性进行了初步评价。结果表明，催化剂的合成时间、光催化剂浓度、溶液的pH值和溶解氧等均对Bi<,2>MoO<,6>纳米晶粉体的光催化活性有明显的影响。最后，对Bi<,2>MoO<,6>纳米晶粉体的光催化机理也进行了初步的探讨。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章Bi12TiO20粉体的水热合成及表征

第三章反相微乳法制备Bi4Ti3O12纳米粉体

第四章不同形貌钨酸铋纳米晶的控制合成及光学性能表征

第五章新型纳米光催化剂钼酸铋的低温熔盐制备及光催化性能研究

第六章结论

附录：作者在攻读硕士期间发表的论文目录

致谢