铁酸铋系半导体材料结构及其光催化性能

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1、哈尔滨工业大学硕士学位论文铁酸铋系半导体材料结构及其光催化性能专业名称：材料学（专业学位）作者姓名：乌力吉贺希格指导教师：来忠红硕士学位论文铁酸铋系半导体材料结构及其光催化性能STRUCTURESANDPHOTOCATALYTICPROPERTIESOFBISMUTHFERRITESEMICONDUCTORS乌力吉贺希格哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TG151学校代码：10213国际图书分类号：621.78密级：公开工学硕士学位论文铁酸铋系半导体材料结构及其光催化性能硕士研究生：乌力吉贺希格导师：来忠红教授级高工申请学位：工学硕

2、士学科：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG151U.D.C:621.78DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTRUCTURESANDPHOTOCATALYTICPROPERTIESOFBISMUTHFERRITESEMICONDUCTORSCandidate：WulijiHexigeSupervisor：Prof.LaiZhonghongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineerin

3、gSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着全球工业技术的迅猛发展，人类在各个学科领域取得辉煌成就的同时所带来的环境污染问题日益严重，甚至开始威胁人类自身健康以及其他生物的生存环境。有机污染物是造成水污染的主要原因，而光催化技术可以利用太阳能有效地降解有机

4、物污染，因此制备具有高量子产率且对可见光有快速响应能力的光催化材料是目前该领域的研究热点。铁酸铋系化合物(BiFeO3、Bi2Fe4O9和Bi25FeO40)作为窄带隙半导体，在可见光波长范围内的光响应特性，预示着其在光催化领域具有潜在应用前景。本文采用第一性原理理论计算与水热合成实验验证相结合的研究方法，系统地研究了铁酸铋系化合物半导体的结构及其光吸收和光催化性能，考察了贵金属Ag对铁酸铋系化合物光催化性能的影响。第一性原理计算结果显示：(1)BiFeO3属于直接带隙半导体，带隙为2.013eV；经Ag掺杂之后BiFeO3转变为间接带隙半导体，其带隙降低为1

5、.301eV。(2)Bi2Fe4O9为间接带隙半导体，其带隙值为1.922eV；Bi25FeO40为直接带隙半导体，其带隙值为1.817eV。(3)通过分析BiFeO3和Bi2Fe4O9的外层电子布局，发现Fe-O为共价键，而Bi-O形成了离子键。(4)光电性质计算结果显示BiFeO3、Bi2Fe4O9以及Ag掺杂BiFeO3在可见光范围内均具有明显的光吸收特性。通过调整水热法工艺参数可以制备纯相BiFeO3、Bi2Fe4O9和Bi25FeO40粉体。三种半导体材料的最佳合成工艺参数分别为：对于BiFeO3，KOH浓度为8.5M的情况下，200℃反应12h可以

6、得到尺寸为10μm的由细小颗粒集聚而成的团聚体；对于Bi2Fe4O9，KOH浓度为4M的情况下，200℃反应6h可以得到形貌尺寸为几十纳米厚的单分散薄片。对于Bi25FeO40，KOH浓度为4M的情况下，80℃反应12h便可获得正方形薄片层状叠加而成的纯相Bi25FeO40粉体。由光吸收性能测试结果得出了BiFeO3、Bi2Fe4O9以及Bi25FeO40的带隙值分别为1.93eV、1.4eV或1.7eV(Bi2Fe4O9为双带隙材料)和1.63eV，与第一性原理计算结果相符。光催化性能测试结果表明三者均有很强的光催化降解亚甲基蓝溶液的能力。光照射120min

7、后，亚甲基蓝溶液浓度降解效率依次为Bi2Fe4O9(81.3%)、BiFeO3(86.3%)、Ag-BiFeO3(87.0%)以及Bi25FeO40(87.2%)，说明层状结构Bi25FeO40粉体光催化效果最好，完全可以替代BiFeO3作为性能最佳的光催化材料。关键词：铁酸铋系半导体；第一性原理；水热法；光催化性能；组织结构I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofglobalindustrialtechnology,humanmadebrilliantachievementsinvariousfieldsbut

8、facingtheseriouspro