钼酸铋基复合氧化物的水热合成及光催化性能研究

摘要

以半导体材料为光催化剂，利用太阳能消除污染物，是近年来较重要的研究课题。它对于保护环境、维持生态平衡、实现可持续发展具有重大意义。目前，普遍采用的光催化剂如TiO2、SrTiO3、NaTaO3等多为宽禁带半导体，仅在紫外光区有响应。而波长在400 nm以下的紫外光部分不足太阳光总能量的5％，太阳光能量主要集中在400—700 nm的可见光范围，达总能量的43％。传统的可见光光催化剂如CdS、CdSe等由于容易发生光腐蚀、不稳定也不环保。因此，研究和开发可见光驱动的光催化剂是提高太阳能利用率，最终实现光催化技术产业化应用的关键。 钼酸铋是一类重要的催化剂模型材料。此外，这类化合物由于其独特的物理性能还可作为离子导体、声光材料、光导体、气体传感器及光催化剂。但由于低温γ-Bi2MoO6相在600℃以上会转变为高温γ'-Bi2MoO6相，因此钼酸铋的低温合成对钼酸铋的应用具有重要意义。目前对钼酸铋光催化性能的研究主要集中在γ-Bi2MoO6，但对水热条件下γ-Bi2MoO6纳米片的形成过程及形貌变化及光催化性能缺乏系统研究。对水热条件下三种钼酸铋的相结构变化、控制合成条件、光催化性能及其影响因素研究相对较少。 在此背景下，本论文利用水热法合成路线，通过对钼酸铋化合物的制备、表征和光催化性能研究，探索制备条件、合成工艺、形貌调控、能带结构与产物的结构变化和光催化性能之间的关系，从而为设计和开发新型的可见光光催化剂提供理论基础和实验条件。 首先，采用水热法在较低温度下合成了γ-Bi2MoO6纳米片，研究了水热反应参数如温度、时间对γ-Bi2MoO6结构和形貌的影响，阐述了形貌形成机理。光催化性能研究表明γ-Bi2MoO6纳米片在可见光下对罗丹明B显示了较好的矿化度，显示了在太阳能光催化方面的极大的应用潜力。并比较了不同有机助剂对产物形貌、尺寸和光催化性能的影响。 通过调控Bi/Mo比和pH值，采用水热法制备了α-Bi2Mo3O12、β-Bi2Mo2O9和γ-Bi2MoO6三种钼酸铋材料。研究表明，在较高的钼浓度和较低的pH值下形成了α-Bi2Mo3O12；较低的钼浓度和较高的pH值有利于形成γ-Bi2MoO6。尽管不能由水热法直接得到，但通过煅烧水热产物，得到了纯的β-Bi2Mo2O9化合物。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)和红外光谱(IR)的表征，对水热合成过程中相的转变规律、合成控制条件和形成过程进行了细致的论述，为水热条件下合成钼酸铋材料提供了重要参考，具有指导意义。光物理和光催化性能研究表明，三种钼酸铋材料显示了不同的光吸收性能和不同的可见光光催化活性，并从晶体结构、带结构、形貌、比表面积等方面详细讨论了光催化性能差异的原因。 水热条件下，当原始Bi/Mo配比从2/3到2．4/1，在pH等于7和9时，都获得了纯相的γ-Bi2MoO6。但此过程中拉曼峰发生了明显的频移，光催化性能发生了较大变化。深入分析了拉曼频移、结构变化和光催化性能之间的关系。 通过低温水热法，合成了无限互溶的Bi2Mo1-xWxO6(x=0～1．0)固溶体，避免了高温相变的发生。研究了该系列化合物晶格参数、晶粒尺寸、带隙和光催化性能的变化，为进一步提高钼酸铋可见光光催化性能提供了途径。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2半导体光催化的原理及可见光化途径

1.2.1光催化反应原理

1.2.2半导体光催化剂可见光化的途径

1.3纳米光催化材料的合成方法

1.3.1纳米材料简介

1.3.2纳米光催化材料制备方法

1.4钼酸铋的结构特征及光催化研究现状

1.4.1钼酸铋的结构特征

1.4.2钼酸铋光催化研究现状

1.5本课题的提出及研究内容

1.5.1问题的提出

1.5.2主要研究内容

第2章 γ-Bi2MoO6纳米片的水热合成及光催化性能研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验所用试剂及设备

2.2.2实验步骤

2.2.3样品的表征

2.2.4光催化降解的实验过程及分析方法

2.3结果与讨论

2.3.1水热合成条件对产物的影响

2.3.2水热合成产物形貌及合成机理探讨

2.3.3 γ-Bi2MoO6纳米片的光吸收性能及带隙计算

2.3.4 γ-Bi2MoO6纳米片的光催化性能

2.3.5添加有机助剂对γ-Bi2MoO6结构和性能的影响

2.4本章小结

第3章钼酸铋的水热合成、表征及光催化性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验所用试剂及设备

3.2.2实验步骤

3.2.3样品的表征

3.2.4光催化降解的实验过程及分析方法

3.3结果与讨论

3.3.1合成条件对相结构的影响

3.3.2合成钼酸铋的形貌

3.3.3钼酸铋的紫外—可见漫反射光谱及带隙计算

3.3.4钼酸铋的光催化活性

3.4微波水热法制备α-Bi2Mo3O12和γ-Bi2MoO6及光催化性能研究

3.4.1引言

3.4.2实验部分

3.4.3结果和讨论

3.5本章小结

第4章水热条件下Bi／Mo比对γ-Bi2MoO6结构和光催化性能的影响

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1实验所用试剂及设备

4.2.2实验步骤

4.2.3样品的表征

4.2.4光催化降解的实验过程及分析方法

4.3结果与讨论

4.3.1 Bi／Mo初始配比对γ-Bi2MoO6结构的影响

4.3.2 Bi／Mo初始配比对y-Bi2MoO6形貌的影响

4.3.3 Bi／Mo不同时合成的y-Bi2MoO6的紫外-可见漫反射光谱

4.3.4 Bi／Mo不同时合成的y-Bi2MoO6的光催化性能

4.4本章小结

第5章固溶体Bi2Mo1-xWxO6的水热合成及光催化性能研究

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1实验所用试剂及设备

5.2.2实验步骤

5.2.3样品的表征

5.2.4光催化降解的实验过程及分析方法

5.3结果与讨论

5.3.1固溶体Bi2Mo1-xWxO6的结构

5.3.2固溶体Bi2Mo1-xWxO6的形貌

5.3.3固溶体Bi2Mo1-xWxO6的光吸收性能

5.3.4固溶体Bi2Mo1-xWxO6的光催化性能

5.4本章小结

结论及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢