金属及其非金属掺杂Bi12TiO20的理论研究及其光催化性能研究

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1、密级：公开论文类型：应用研究工程硕士学位论文金属及其非金属掺杂Bi12TiO20的理论研究及其光催化性能研究TheoreticalStudyofMetalandNon-metalDopedBi12TiO20andItsPhotocatalyticPerformance培养单位：材料科学与工程专业领域：材料工程学生姓名：郭丹校内导师：孙秀果副教授校外导师：刘洪泉教授级高工二○一八年六月独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石家庄铁

2、道大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解石家庄铁道大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国学位论文全文数据库》。本人授权石家庄铁道大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)作者签名：日期：导师签名：日期：摘要光催化技术是目前解决能源和环境的一种

3、新兴绿色技术，它的出现受到了研究者的高度关注。TiO2光催化剂出现最早，又由于其良好性能得到广泛研究。但TiO2本身的结构决定了它吸收光谱的范围。虽然研究者对TiO2进行了改性，但仍存在缺陷。因此需要开发新的光催化剂材料。在众多光催化剂中，Bi由于具有孤对电子有很高的立体活性，备受研究者广泛研究。本文将Bi12TiO20作为研究目标，对Bi12TiO20及其掺杂后的Bi12TiO20进行模拟计算以及实验测试。具体的内容如下：(1)Bi12TiO20的研究。利用第一性原理对Bi12TiO20晶胞进行理论模拟，计算光学性质。理论结果显示Bi12TiO20具有适宜的禁带宽度，能吸收

4、可见光。通过共相沉淀法制备出了Bi12TiO20样品。利用X射线衍射仪(XRD)、表面光电压谱仪(SPS)、紫外-可见漫反射光谱仪(UV-visDRS)、比表面分析测试仪(BET)等仪器对样品进行测试，最后测定不同制备条件下样品的光催化性能。结果表明Bi12TiO20样品在可见光区域内出现了吸收，在可见光下具有电子与空穴的分离能力，与所模拟得到的结论一致。最后通过光催化性能的测定发现Bi12TiO20在可见光下具有降解甲基橙的能力。(2)La掺杂Bi12TiO20的研究。利用MS软件的CASTEP版块模拟La取代Bi和进入Bi12TiO20晶胞两种情况，对其禁带宽度、态密度以

5、及光学性质进行了理论计算。结果显示La的取代并未影响Bi12TiO20的带隙和态密度，La的进入使得Bi12TiO20的禁带宽度中出现了杂质能级，从而使禁带宽度减小。通过超声辅助的方法制备La掺杂的Bi12TiO20光催化剂。本文考查了La掺杂量、煅烧温度、超声功率、超声时间对La掺杂Bi12TiO20样品的光催化性能影响。结果表明La掺杂之后拓宽了样品可见吸收范围，电子与空穴的分离能力也提高了。通过光催化性能的测试，La掺杂后的样品降解甲基橙的能力提高了。(3)N掺杂Bi12TiO20的研究。通过软件模拟N取代Bi12TiO20晶胞中的O，对其禁带宽度、态密度以及光学性质进

6、行了理论计算。结果显示N的取代使Bi12TiO20的价带顶部附近出现了杂质能级，禁带宽度减小，拓宽了可见吸收范围且强度增强了。利用超声辅助的方法制备N掺杂的Bi12TiO20光催化剂。结果表明N的掺杂提高了吸附能力，拓宽了可见光的吸收范围，光催化效率也得到了提高。关键词：Bi12TiO20；第一性原理；掺杂；光催化AbstractPhotocatalytictechnologyhasbeenpaidmuchattention,asanewgreentechnologytosolvetheproblemsofenergyandenvironment.Astheearliestp

7、hotocatalyst,TiO2waswidelystudiedbecauseofthegoodperformance.ButthescopeofvisiblelightabsorptionspectrumwaslimitbythestructureoftheTiO2photocatalyst.AlthoughTiO2hasbeenresearchedforusinginthepastfewyears,therearestilldefects.Therefore,itisimportanttodeve