解析锌锰共掺杂铁酸铋磁性和光催化性能研究

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1、解析锌锰共掺杂铁酸铋磁性和光催化性能研究1实验部分　　1.1样品制备　　利用溶胶-凝胶法合成了纯铁酸铋(BFO)、锰掺杂铁酸铋(BFMO，5%Mn)、锌锰共掺杂铁酸铋(BiFe0.95-xMn0.05ZnxO3，x=0.025、0.050、0.075、0.100)纳米粉体，分别记为BFO、BFMO、BFMZO-1、BFMZO-2、BFMZO-3、BFMZO-4。将不同物质的量比的硝酸铋[Bi(NO3)35H2O]、硝酸铁[Fe(NO3)39H2O]、乙酸锌、乙酸锰溶解于乙二醇溶剂中，剧烈搅拌2h，直到获得均一透明的红棕色溶液。将溶液静置陈化24h得到溶胶。将溶

2、胶在80℃干燥72h获得干溶胶。将干溶胶在400℃预烧0.5h、600℃退火30min，经研磨获得Zn、Mn共掺杂的铁酸铋纳米粉体。　　1.2样品检测　　BFO系列样品XRD测试采用D8ADVANCE型X射线衍射仪。BFMZO样品XPS测试采用ESCALAB250Xi型X射线光电子能谱仪。BFMZO样品形貌测试采用S-4800扫描电镜。BFO系列样品吸光度测试采用UV2550紫外可见分光光度计(使用积分球附件)，利用Kubelka-Munk方程将漫反射谱转换为吸光度。BFO系列样品磁性测试采用7404型振动样品磁强计。样品光催化实验在实验室搭建的光催化实验平台

3、上进行。光催化实验采用50n掺杂以及Zn、Mn共掺杂均使得BFO的晶相发生了改变，这些样品XRD谱图中有一系列谱峰发生了合并，例如(104)和(110)、(006)和等。根据文献可知，掺杂导致了样品从BFO的R3c三角结构到P4mm正交结构的改变。　　2.2XPS表征　　为确定BFMZO粉体中Bi、Fe、Zn、Mn等元素价态，对BFMZO-1粉体进行了XPS测试。Bi4f两个发射峰位于159.7eV和165.1eV，通过查询结合能对照表可以确定Bi在BFMZO中以Bi3+形式存在。Fe2p两个发射峰位于711.1eV和724.7eV，且没有发现与Fe2+相关的

4、发射峰，因此可以确定BFMZO中铁以Fe3+形式存在。Mn2p两个发射峰位于642.1eV和653.6eV，这与Mn4+发射峰一致，因此可以认为BFMZO中Mn以+4价存在。Zn两个发射峰位于1021.3eV和1044.4eV，这两个峰可以被确认为Zn2p的两个发射峰，BFMZO中Zn为+2价。　　2.3SEM表征　　不同Mn、Zn掺杂比例制得铁酸铋粉体颗粒尺寸为50~100nm。纯铁酸铋粉体由不同尺寸的形状不规则的纳米颗粒组成，最小颗粒尺寸约为30nm。样品的微观形貌与未掺杂铁酸铋没有显著区别，说明5%Mn掺杂对铁酸铋粉体形貌的影响较小。BFMZO-1样品颗

5、粒的大小约为70nm，形状比较规则。比较a、b、c观察到，BFMZO-1样品粒子平均尺寸大于BFMO和BFO样品粒子尺寸;BFMZO-1样品显微形貌与BFO、BFMO样品显微形貌有较大差异。从不同掺杂比例样品显微形貌可知，样品均为纳米尺度颗粒，较小的颗粒尺寸也意味着样品具有较大的比表面积和更好的吸附能力，对增强光催化活性有利。　　2.4磁性表征　　铁酸铋具有微弱反铁磁性，其饱和磁化强度约为1Am2/kg;Mn掺杂能增强BiFeO3磁性，BFMO粉体相对于BFO粉体具有较高的饱和磁化强度、较大的剩余磁性和矫顽力，这一结果与文献报道结果一致;但是，Zn引入会显著影

6、响BFMO的磁性，随着Zn掺杂比例增加，BFMO的磁性向着顺磁方向靠近，当Zn掺杂比例为7.5%时，BFMZO的磁性达到最弱。5%Mn掺杂BiFeO3的磁性增强，应该归因于Mn自身的磁矩以及电荷补偿的效果。仅2.5%Zn掺杂即使得BFMO饱和磁化强度发生明显下降，Zn掺杂量达到7.5%时BFMZO磁性最弱，而Zn掺杂比例为10%时磁性稍有增强。这是因为，引入的Zn2+具有抗磁性，并且Zn2+掺杂改变了BiFeO3的纳米粒子尺寸。　　2.5光吸收性质和带隙　　由不同比例掺杂Zn、Mn制得BFO系列粉体紫外可见漫反射光谱(UV-VisDRS)可知，掺杂样品在可见光

7、区的吸光度相对于纯BiFeO3样品得到明显增强，并且带隙宽度也有所减小。这可能是由于掺杂元素在氧八面体中的电荷转移导致光吸收增强。而掺杂样品较强的光吸收性能可以提高其在光催化降解反应中的效率，光催化降解亚甲基蓝的实验也证实了这一点。　　2.6光催化反应　　在35min可见光照射时间内，纯铁酸铋、Mn掺杂铁酸铋以及Zn、Mn共掺杂铁酸铋与H2O2协同作用，均可有效降解亚甲基蓝染料。但不同样品光催化效率存在差异：纯铁酸铋加H2O2在35min内降解约90%亚甲基蓝;Mn掺杂铁酸铋在35min内降解约95%亚甲基蓝;Zn、Mn共掺杂铁酸铋光催化受Zn掺杂比例影响，其

8、中2.5%Zn掺杂样品在35min内降