bitio系列氧化物纳米材料的制备、表征及光催化性能研究

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1、山东大学博士学位论文摘要随着资源过度开发利用和环境污染的加重，人类生活环境受到严重地破坏，环境问题成为当今世界关注的主要问题之一。工业和家用废水中时常含有较多有机污染物，例如，世界每年所生产染料的15％会在印染过程中流失到印染行业的工业废水中，这类非美学、富营养化的有色染料废水会给生态环境带来严重地破坏。随着国际环境标准要求日益严格化(ISO14001，October1996)，有机污染的治理技术也得到快速发展。近年来作为新兴的污染治理技术，光催化在环境保护中的应用日益受到人们的重视。光催化是利用光照使半导体光催化剂受到激发，从而在半导体的导带和价带位置分别形成光生电子和空穴，生成的光生

2、电子和空穴随后可参与有机物的光催化降解反应。光催化能够直接使有机物发生矿化作用生成二氧化碳、水和简单的矿物酸，因此与现有技术相比，光催化作用的主要优点是：不需要二次处理；可以利用太阳光激发光催化荆参与光催化反应：光催化剂可以自生并能够回收再利用，使光催化反应的运行成本较低。半导体光催化技术的核心是制备高效的光催化材料。理想的光催化剂应当稳定性好、价格低廉、无毒、高活性且能充分吸收太阳光。Ti02是目前被研究和应用最多的半导体光催化剂，由于带隙较宽(锐钛矿为3．2eV)，Ti02只能被波长小于387．5nm的光线所激发，其吸收光谱只占太阳光谱中很小的一部分，不能充分利用太阳能；此外，较高的

3、光生电子与空穴复合率，导致Ti02的光量子效率较低。Ti02存在的这两个缺陷，在一定程度上制约了半导体光催化技术的实际工业应用，所以开发新型高效半导体光催化剂，且要求其对可见光具有明显的响应是目前光催化剂研究的热点之一。近年来新型光催化剂的研究焦点都放在二元或三元等复杂结构的氧化物上，人们希望能找到电荷分离效率商，光响应范围较宽，能充分吸收利用太阳光且光催化效率较高的光催化剂。在此基础上，本论文系统地研究了Bi．Ti．O系列二元氧化物体系纳米材料的制备及光催化性能表征。本论文主要包括以下内容：Bi4Ti3012纳米晶的制备及性能表征。利用化学溶液分解法制备出纳米量级的Bi4Ti3012材

4、料。利用XRD、TEM和UV-Vis对Bi4Ti30i2纳米材料的颗粒形貌、晶粒粒度、材料晶相、光物理性质等进行表征分析。XRD显示表明，4000C退火山东大学博士学位论文5分钟时，所制备的B“Ti3012粉体材料的结晶性能就比较好。对比JCPDS数据卡片可知，除去一个较小衍射峰之外，所有显示出的衍射峰都属于Bi4Ti3012晶体。Bi4Ti3012生长过程中被认为有不稳定相形成，实验发现，当退火温度升温到7000C时，可以制备出纯Bi4Ti3012纳米材料。改变退火时间所制备的Bi4Ti3012的XRD谱图也显示表明Bi4Ti3012生长过程中有不稳定相的出现。TEM观察显示，Bi4T

5、i3012纳米晶呈球形颗粒状，其晶粒尺寸分布较为均匀，大小约为10-90nm之间。利用分光光度计测定了Bi4Ti3012材料的紫外可见吸光光谱，计算Bi4Ti3012的带隙能约为3．08eV。利用偶氮类染料甲基橙表征钛酸铋Bi4Ti3012纳米材料的光催化活性。实验发现Bi4Ti3012具有较强的催化活性，可以在4小时之内使10mg／l甲基橙溶液发生完全光致退色。研究分析了各种因素，如催化剂的制备工艺、催化剂浓度、甲基橙浓度、溶液pH值、无机阴离子基团、强氧化剂H202等，对光催化剂催化活性的影响，以寻找使用光催化剂的最佳光催化条件。实验发现6000C退火5min时所制备的B“Ti301

6、2材料表现出最佳的光催化活性，其光催化反应的速率常数k达到了最大值O．576h～。初步分析探讨了Bi系层状氧化物B“Ti3012光催化活性的机理，提出Bi4Ti3012较高的光催化活性与其结构中八面体之间Ti-O-Ti键角，以及Bi4Ti3012结构中(Bi202)”层和∞i2Ti30Io)2‘层之间特有的内电场相关，有利于寻找新型的光催化剂。对Bi4Ti3012材料进行了离子掺杂改性的研究，发现La离子掺杂可以提高Bi4Ti3012的光催化活性。利用CSD方法对Bi4Ti3012材料进行原子比20at．％的La(Fe)等金属离子掺杂。XRD显示5500C退火的Fe掺杂钛酸铋材料形成了焦

7、绿石结构的(Feo2Bios)2Ti207，而同样条件下La掺杂钛酸铋材料却形成了铋系钙钛矿结构的(La02Bio．B)4Ti3012aFe3+和La3+等掺杂离子半径的不同被认为是相同条件下La(Fe)的掺杂形成不同晶相钛酸铋材料的原因。Bi2Ti207材料的制备及性能表征。利用CSD方法制各出Bi2Ti207材料，利用XRD、FESEM、UV-vis等研究手段对Bi2Ti207材料进行表征分析。实验发现，光催化反应前后，钛酸铋粉