铋系半导体可见光催化剂的制备及性能表征

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1、硕士学位论文铋系半导体可见光催化剂的制备及性能表征作者姓名朱成彬学科专业微电子学与固体电子学指导教师陈志武副教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年5月PerparationandPerformanceCharacterizationofBismuthBaseSemiconductorsVisible-lightPhotocatalystsADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZhuChengbinSupervisor：Prof.ChenZhiwuSouthChinaUni

2、versityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TB383学校代号：10561学号：201520115957华南理工大学硕士学位论文铋系半导体可见光催化剂的制备及性能表征作者姓名：朱成彬指导教师姓名、职称：陈志武副教授申请学位级别：硕士学科专业名称：微电子学与固体电子学研究方向：半导体材料论文提交日期：2018年05月4日论文答辩日期：2018年5月31日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：季小红委员：陈志武王歆张辉符小艺2摘要环境与能源已成为人类社会可持续发展面临的两个重大问题。基于太阳能

3、利用的半导体光催化技术为环境治理和新能源生产提供了新思路和新途径。二氧化钛（TiO2）是最重要的一类半导体光催化剂。但是，TiO2存在太阳能利用率低和光催化反应量子效率低等缺陷严重制约了TiO2光催化技术的广泛实际应用。而铋系半导体作为一类新型的可见光催化剂正日益受到研究人员的重视。本论文利用不同的方法成为制备3种铋系半导体，研究结果表明它们都具有较高的可见光催化性能。（1）用水热法制备暴露面为{101}单晶铁酸铋（BiFeO3）纳米片，样品是形貌规整的矩形片状，边长约为140nm~230nm，厚度约为30nm。BiFeO3纳米片在可见光下降解罗丹明

4、B（RhB）时展现了较高的降解效率，在3小时内对10mg/L的RhB降解率为89%，是固相烧结法制备的样品的10.47倍，是溶胶-凝胶法制备样品的4.77倍。这是因为BiFeO3纳米片具有铁电性，内电场方向垂直于纳米片，使光生载流子在内电场作用下能迅速迁移至表面。（2）用熔盐法制备暴露面为（001）单晶钛酸铋（Bi4Ti3O12）纳米片，样品是形貌规整的矩形片状，边长约为500~800nm，厚度约为50~80nm。Bi4Ti3O12纳米片在可见光下降解罗丹明B（RhB）时展现了高的降解效率，最佳的样品是Bi4Ti3O12（50-800℃-2小时）纳米

5、片，在2小时内对10mg/L的RhB降解率为98.0%，是烧结法制备样品8.71倍。其光催化效率高的原因是Bi4Ti3O12纳米片规整的矩形片状，并且片状暴露面垂直于[001]晶向，即与内电场的方向垂直，使得光生载流子在内电场的作用下能沿较短的路径迅速迁移到表面参与反应。（3）用熔盐法制备镧（La）掺杂钛酸铋（Bi3.25La0.75Ti3O12）纳米片，得到形貌规整的矩形片状，边长约为200~550nm，厚度约为40nm，尺寸与厚度都小于相同方法制备的Bi4Ti3O12纳米片。Bi3.25La0.75Ti3O12纳米片在可见光下降解RhB时展现了高

6、的降解效率，最优的样品在2小时内对对10mg/L的RhB降解率为97.9%。性能最佳的纳米片为保温1.5小时的样品，对比相同条件制备的Bi4Ti3O12纳米片有更高的光催化活性（提高了57%），是因为它的厚度与尺寸更小，光生载流子迁移到表面的路径更短以及内电场更强从而使载流子的迁移更快、复合更少。（4）利用熔盐法制备暴露面为（001）单晶Bi4Ti3O12纳米片作为原料，用盐酸与其反应后得到氯氧化铋/二氧化钛（BiOCl/TiO2）复合材料，此方案创新性地以IBi4Ti3O12得到BiOCl/TiO2复合材料，免除多步复合的步骤，更高效地提高Bi4T

7、i3O12的光催化效果。BiOCl/TiO2复合材料再与五氧化二铌（Nb2O5）复合，得到BiOCl/TiO2/Nb2O5复合材料，三者复合物有相当高效的光催化效率，最佳样品的复合材料在12分钟内对10mg/L的RhB的降解率接近为100%。关键词：BiFeO3；Bi4Ti3O12；BiOCl；熔盐法；纳米片IIAbstractNowadays,environmentalpollutionandenergycrisisareholdingbackhuman’ssustainabledevelopment.Semiconductorsusingsola

8、renergyasphotocatalystsprovideanovelwaytosolvethebothp