铋基半导体异质结的设计、合成及其光催化性能

摘要

光催化是一种极具发展前途的环境污染绿色治理技术，有望成为解决环境和能源问题的有效途径。光催化技术的核心是光催化剂，其中铋基半导体（例如钼酸铋）具有良好光催化性能并受到广泛关注，但较低的量子产率和较窄的可见光吸收范围仍然制约其实际应用。构筑半导体异质结是一种提高光催化性能的有效方法，例如人们发展了几种异质结包括半导体-半导体、半导体-金属、半导体-碳以及多组分半导体异质结。为了提高铋基半导体（例如钼酸铋）的光催化性能，本文发展了Bi2MoO6-Pt和Bi2S3/Bi2MoO6半导体异质结，并研究了其光催化性能。另外，WO3作为一种重要的窄带隙（2.4-2.8 eV）半导体，由于其结构简单、无毒、稳定的物理化学特性、耐光蚀和价带空穴的强氧化能力等特点而受到广泛的关注。然而较短的光生电子空穴对生命周期依然限制了WO3实际应用，为了改善其光催化性能，本文发展了BiOBr/WO3异质结，并研究了其光催化性能。主要研究内容和成果如下：
　　1.发展了Bi2MoO6-Pt三维微球作为异质结光催化剂。首先通过溶剂热法制备了Bi2MoO6三维微球，该微球直径为1~4μm，并由大量纳米片组装成。随后通过光还原法在微球表面原位生长了 Pt纳米颗粒，粒径约为2.5nm。这种Bi2MoO6-Pt三维微球展现了较宽的可见光吸收范围（吸收边：500 nm），相比纯Bi2MoO6的吸收范围（吸收边：475 nm）有明显红移。当纯Bi2MoO6三维微球为催化剂时，在可见光分别激发60和70分钟后，仅50％罗丹明B和13%4-氯苯酚被降解。但是负载Pt后降解效率明显提高，特别是Pt负载量为0.3 wt%时罗丹明B和4-氯苯酚的降解率分别达到68%和76.3%，该催化剂微球展现了最高的光催化性能。
　　2.发展了花状Bi2S3/Bi2MoO6作为异质结光催化剂。采用“一步溶剂热”法制备了花状Bi2S3/Bi2MoO6异质结超结构，该花状超结构直径约为1~3μm，并由大量Bi2MoO6纳米片（厚度：~15 nm）和Bi2S3纳米颗粒（尺寸：~3.5 nm）组成。当Bi2S3/Bi2MoO6异质结为催化剂时，在可见光分别激发60和150分钟后，罗丹明B和4-氯苯酚的降解效率均可达到100%，高于Bi2MoO6和Bi2S3分别为催化剂时的降解效率（Bi2MoO6：29%罗丹明B和13%4-氯苯酚；Bi2S3：14%罗丹明B和0%4-氯苯酚）。因此，Bi2S3/Bi2MoO6异质结展现了最强的光催化活性，归因于Bi2S3和Bi2MoO6两种组分在光催化过程中的协同效应。
　　3.发展了BiOBr/WO3作为异质结光催化剂。采用“静电纺丝-煅烧-溶剂热法”成功制备出一系列具有不同BiOBr和WO3摩尔比的BiOBr/WO3异质结，其中 BiOBr和 WO3的摩尔比分别为1:0.5、1:1和1:2，它们分别被记作：BiOBr/WO3-1/0.5、BiOBr/WO3-1/1和BiOBr/WO3-1/2。在可见光照射下，当WO3或BiOBr为催化剂时，罗丹明B的降解效率为0%或71%。但当BiOBr与WO3复合形成异质结后罗丹明B的降解效率明显提高，特别是BiOBr和WO3的摩尔比为1:1时罗丹明B的去除效率达到100%，此时BiOBr/WO3异质结展现了最高的光催化活性。更重要的是，罗丹明B的降解效率甚至高于BiOBr和WO3（56.8 wt%BiOBr和43.2 wt%WO3）机械混合物为催化剂时的降解效率（89.6%）。并且BiOBr/WO3-1/1异质结经过四次循环降解后仍然具有较高的光催化活性，展现了良好的稳定性，可以被循环使用。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 半导体异质结光催化剂的研究现状

1.3 半导体光催化技术在环境领域中的应用

1.4 研究意义和内容

第二章 Bi2MoO6-Pt异质结的制备及其光催化性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 Bi2S3/Bi2MoO6异质结的制备及其光催化性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 BiOBr/WO3 p-n异质结的制备及其光催化性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章 总结

附录I 攻读学位期间的研究成果目录

附录II 致谢