Bi2 O2 CO3/δ-Bi2 O3/Ag2 O复合纳米材料的合成及其光催化性质的研究

摘要

近年来，随着经济社会的发展，大量燃煤和石油等化石能源的使用使环境污染和能源紧缺问题愈发突显，人们对氢能、风能、太阳能等清洁的能源需求更加迫切。光催化材料由于其环境友好性以及潜在的环境处理能力和光解水产氢能力被认为是一种新的能源短缺解决方案。铋系化合物半导由于其特殊的层状结构，具有特殊的物理性质和化学性能因而受到广泛的研究，被认为是一种理想的光催化材料。Bi2O2CO3作为一种铋系化合物半导体，具有Aurillius相氧化物层状结构，即(CO3)2-原子层和(Bi2O2)2+原子层交替排列。(Bi2O2)2+原子层和(CO3)2-原子层之间存在较强的内建电场，能有效促进光生载流子的分离和转移。因此具有潜在的半导体光催化应用前景。本文首先以碳酸氧铋为研究对象，采用复合碱媒介法制备了Bi2O2CO3半导体光催化剂，但由于其带隙比较大，在紫外-可见光范围内的催化性能不够理想。所以采用简单的化学沉积法将具有可见光吸收能力的Ag2O沉积在其表面，并研究了两者光催化降解亚甲基蓝的效率。虽然通过沉积Ag2O使其光催化性能得到提升，但光催化降解MB能力仍不够突出。因此，本文构建出Bi2O2CO3/δ-Bi2O3异质结，再选用具有可见光响应的Ag2O纳米颗粒对其进行复合，有效的提高了其光催化降解亚甲基蓝的能力。在此过程中，首先调控复合盐的温度，得到Bi2O2CO3/δ-Bi2O3异质结，再将Ag2O沉积在异质结表面，得到具有不同质量比的Bi2O2CO3/δ-Bi2O3/Ag2O(BBA)复合光催化剂。随后详细的讨论了样品的光催化性质及影响其光催化性能的因素，具体研究工作如下：　　采用复合盐媒介法得到Bi2O2CO3纳米片，并将氧化银沉积在其表面。分别通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及透射电镜(TEM)对样品的组成、形貌、结构进行表征。研究了模拟太阳光照下Bi2O2CO3，Bi2O2CO3/Ag2O两种材料对亚甲基蓝(MB)的光催化降解性能。发现与单一的Bi2O2CO3相比，沉积氧化银后光催化降解性能大幅度提高，45分钟内能将浓度为2*10-5M的MB溶液完全降解。　　采用复合盐媒介法并控制反应过程的温度得到Bi2O2CO3/δ-Bi2O3(BB)纳米片，并通过化学沉积的方法利用AgNO3和NaOH将Ag2O沉积在材料表面，得到Bi2O2CO3/δ-Bi2O3/Ag2O。分别通过SEM、XRD、TEM、AFM、XPS、UV-vis反射光谱、PL谱、交流阻抗测试、光电流测试等手段，对材料的形貌、组成、结构、光学性能、电化学性能等进行了表征。研究了模拟太阳光照射下BB和不同质量比的BBA对亚甲基蓝(MB)溶液的降解性能。发现与单一的Bi2O2CO3/δ-Bi2O3相比，Bi2O2CO3/δ-Bi2O3/Ag2O表现出了更优越的光催化降解性能。其中，AgNO3的含量为33.3mt%时，Bi2O2CO3/δ-Bi2O3/Ag2O(BBA-3)的光催化降解性能最佳，15分钟内能将浓度为2*10-5M的MB溶液完全降解。对同一BBA-3样品进行多次降解MB实验后发现，其结构和性能基本不变。最后，对BBA样品光催化降解MB的机理进行了深入的探究。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2.1 光催化的基本原理

1.2.2 光催化的应用

1.3 铋系半导体光催化剂的研究进展

1.3.1 二元铋系光催化剂

1.3.2 多元铋系半导体光催化剂

1.3.3 Bi2O2CO3半导体光催化剂

1.4 本论文的选题意义和研究内容

2 Bi2O2CO3/δ-Bi2O3及Bi2O2CO3/δ-Bi2O3/Ag2O纳米复合材料的制备与表征

2.1.1实验材料与试剂

2.1.2 材料制备仪器与测试装置

2.2 实验内容

2.2.1 Bi2O2CO3纳米片的制备

2.2.2 Bi2O2CO3/Ag2O复合样品的制备

2.2.3 Bi2O2CO3/δ-Bi2O3复合材料的制备

2.2.4 Bi2O2CO3/δ-Bi2O3/Ag2O复合材料的制备

2.3 样品表征与分析

2.3.1 粉末 X射线衍射(XRD)表征

2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)表征

2.3.3 透射电子显微镜与元素分析(TEM,EDS)

2.3.4 X射线光电子能谱(XPS) 分析

2.3.5 原子力显微镜(AFM)表征

2.3.6 比表面积分析

2.3.7 紫外-可见光漫反射吸收光谱测试

2.3.8 光致发光光谱(PL谱)测试

2.4 电化学测试

2.4.1 工作电极及电解质溶液制作

2.4.2 电化学性能测试与分析方法

2.4.3 电极电化学性能测试与分析

2.5 本章小结

3 Bi2O2CO3/δ-Bi2O3及Bi2O2CO3/δ-Bi2O3/Ag2O复合纳米材料光催化性能的研究

3.1.1 光催化降解活性评价试验

3.1.2 降解结果与讨论

3.2.1 光催化降解活性评价试验

3.2.2降解结果与讨论

3.3.1 BBA光催化剂的能带结构研究

3.3.2 光催化降解 MB的活性基团探究

3.4 本章小结

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文的目录：

B. 作者在攻读硕士学位期间获奖情况

C学位论文数据集

致谢