目录
摘要 .......................................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................................... II
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 光催化材料分类 (2)
1.3 光催化技术 (3)
1.3.1 光催化机理 (4)
1.3.2 半导体光催化性质改性 (4)
1.4 铁酸铋系半导体材料及应用 (7)
1.4.1 BiFeO3的结构及其多铁性应用 (7)
1.4.2 BiFeO3的光学性质应用 (8)
1.4.3 Bi2Fe4O9半导体材料及应用 (11)
1.4.4 Bi25FeO40半导体材料及应用 (13)
1.5 铁酸铋系半导体粉体材料的合成方法 (15)
1.5.1 固相法 (15)
1.5.2 溶胶—凝胶法 (16)
1.5.3 共沉淀法 (17)
1.5.4 水热法 (17)
1.6 主要研究内容 (18)
第2章材料及研究方法 (20)
2.1 材料体系选择与研究方案流程 (20)
2.2 铁酸铋系半导体材料结构与性质的第一性原理计算 (21)
2.3 铁酸铋系半导体材料制备 (22)
2.3.1 纯相铁酸铋系半导体光催化材料的制备 (22)
2.3.2 BiFeO3半导体材料光催化性能改性 (23)
2.4 组织结构表征 (24)
2.4.1 X射线衍射分析 (24)
2.4.2 扫描电子显微镜分析 (24)
2.5 光学性能测试 (24)
IV
2.5.1 紫外-可见光漫反射吸收光谱 (24)
2.5.2 光催化性能测试 (25)
第3章铁酸铋系半导体材料的第一性原理计算 (26)
3.1 引言 (26)
3.2 第一性原理计算铁酸铋系半导体的结构特征 (27)
3.2.1 铁酸铋系半导体的晶体结构 (27)
3.2.2 铁酸铋系半导体的能带结构和电子结构 (29)
3.3 铁酸铋系半导体的光电性质 (36)
3.3.1 BiFeO3的光电性质 (37)
3.3.2 Bi2Fe4O9的光电性质 (38)
3.4 Ag掺杂BiFeO3的第一性原理计算 (40)
3.4.1 Ag掺杂BiFeO3的晶体结构 (40)
3.4.2 Ag掺杂BiFeO3的能带及电子结构 (40)
3.4.3 Ag掺杂BiFeO3的光学和电学性质 (43)
3.5 铁酸铋系半导体的第一性原理计算结果对比 (45)
3.6 本章小结 (46)
第4章铁酸铋系半导体材料制备及组织结构表征 (47)
4.1 引言 (47)
4.2 水热法制备BiFeO3及其组织结构表征 (47)
4.2.1 反应时间对BiFeO3结构及形貌的影响 (48)
4.2.2 反应温度对BiFeO3结构及形貌的影响 (50)
4.2.3 KOH浓度对BiFeO3结构及形貌的影响 (55)
4.2.4 表面活性剂对BiFeO3结构及形貌的影响 (59)
4.2.5 BiFeO3半导体光催化性能改性 (61)
4.3 Bi2Fe4O9的制备及其组织结构表征 (65)
4.3.1 反应温度及时间对Bi2Fe4O9结构及形貌的影响 (66)
4.3.2 Bi2Fe4O9表面覆积Ag纳米颗粒组织表征 (73)
4.4 Bi25FeO40的制备及其组织结构表征 (75)
4.4.1 反应温度对Bi25FeO40结构及形貌的影响 (75)
4.4.2 反应时间对Bi25FeO40结构及形貌的影响 (77)
4.4.3 Bi25FeO40表面覆积Ag纳米颗粒组织表征 (79)
4.5 本章小结 (80)
第5章铁酸铋系半导体材料的光催化性能 (81)
5.1 引言 (81)
V
5.2 BiFeO3的光吸收及光催化性能 (81)
5.2.1 BiFeO3的光吸收性质 (81)
5.2.2 BiFeO3的光催化性能 (82)
5.2.3 表面覆积Ag纳米颗粒的BiFeO3光催化性能 (83)
5.3 Bi2Fe4O9的光吸收及光催化性能 (83)
5.3.1 Bi2Fe4O9纳米材料的光吸收性质 (83)
5.3.2 Bi2Fe4O9纳米材料的光催化性能 (86)
5.3.3 表面覆积Ag纳米颗粒的Bi2Fe4O9光催化性能 (87)
5.4 Bi25FeO40的光吸收及光催化性能 (88)
5.4.1 纯相Bi25FeO40的光学性质 (88)
5.4.2 表面覆积Ag纳米颗粒的Bi25FeO40光催化性能 (89)
5.4 本章小结 (90)
结论 (91)
参考文献 (93)
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (100)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (101)
致谢 (102)
VI
第1章绪论
1.1 课题背景
随着科学技术的发展及全球工业化水平的突飞猛进，人类在各个学科领域都取得辉煌成果的同时所面临的资源短缺和环境污染问题日益严重。如何解决能源和环境污染问题已成为非常热门的研究课题。近年来，环境污染中的有机污染物的处理方法备受关注。传统的燃烧法和化学氧化还原法都具有各自的局限性，比如增加空气污染或水污染等。据估计，全世界有近7亿5000万人无法得到改善的水资源环境，依靠不健康水源的人数甚至更多。而光催化技术可以有效地降解有机污染物并且可以通过敦化水中的微生物而起到杀菌消毒的作用，而且所需要的能耗低、无二次污染等优点，因此已成为一种非常具有潜力的处理环境污染问题的手段[1,2]。
由于环境污染以及能源消耗问题日益加剧，被人们寄予厚望的光催化技术得到了迅猛的发展。早在上个世纪六十年代初期，欧洲的一些实验室在研究催化反应时发现了光催化效应。英国学者Stone等人在研究ZnO基体上的CO光催化氧化反应[3]之前率先研究了同样基体上的氧原子光吸收和光解吸效应[4]。随后他们研究了TiO2在金红石上的光吸收和丙酮上的异丙酮选择性氧化[5,6]，并最早提出了羟基氧化剂(·OH) 由氢氧根阴离子(OH-) 被光生空位中和而成的机制。同时期在德国Hauffe等人[7,8]也研究了ZnO基体上的CO光催化氧化反应并第一次在文章中使用“光催化作用”。法国研究者Juillet和Teichner通过烧结制备了超高纯度的氧化物颗粒作为核物质并通过测试其电性能检测了实体颗粒。然而一开始得到的TiO2锐钛矿不稳定的实验结果困惑了他们，直到他们发现TiO2对白光具有光敏性。随后他们用光敏化物质完成了烷类物质的轻微选择性氧化[9,10]。光催化研究在欧洲进行的同时，在日本也有了良好的发展。Fujishima和Honda[11]研究了在紫外光照射下，TiO2催化水的光电解反应。TiO2光催化剂的发现标志着光电效应应用于光催化分解水制氢气研究的开始。后续的研究也在过去的几十年里取得了丰硕的成果。但是，由于光催化材料体系多种多样，目前所采取的研究手段主要为针对不同材料选择不同的制备方法进行探索光催化材料的组织与性能，因此在材料体系选择以及新材料研发手段等方面并没能形成统一的系统的理论，并且就目前所得到的研究成果并不足以指导光催化材料的工业化生产，需要加深对该领域的探索。另一方面，目前所得到
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