BiOF纳米片可控合成及其光催化性能

论文总字数：18686字

目 录

1 绪论 1

1.1 光催化技术的研究意义 1

1.2 光催化技术原理 2

1.3 光催化研究进展 3

1.4 本研究的工作 4

2 实验所用药品与仪器 4

2.1 所用药品 4

2.2 实验仪器与表征仪器 4

3 样品的制备方法及其性能测试 5

3.1 样品的制备 5

3.2 样品的表征 5

3.3 光催化性能评价 5

3.4 理论计算 5

4 结果与讨论 5

4.1 pH值对样品的影响 5

4.2 BiOF的光催化活性 7

4.2 理论计算 10

5 总结与展望 10

参考文献 11

6 研究成果与获得荣誉 12

BiOF纳米片可控合成及其光催化活性研究

邹思佳

，China

Abstract： In our work, a BiOF photocatalyst with a regular nanosheet shape has been prepared by a simple hydrothermal method. The samples are characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), ultravioletvisible diffuse reflectance spectroscopy (UV-DRS), electrochemistry impede spectroscopy (EIS) andnitrogen sorption isotherms. Furthermore, rhodamine B(RhB) is chosen as the representative dye pollutant to evaluate the photocatalytic activity of BiOF. For the layered BiOF there is an internal electric field (IEF)perpendicular to the [Bi₂O₂]² slabs and fluorine anionic slabs, which is favorable for the efficient separation of the photogenerated electrons and holes.

Key words：nanosheet BiOF photocatalyst internal electric field (IEF)

1绪论

1.1光催化剂的研究意义

随着经济和社会的高速发展，我国化工工业高速发展，也达到了更高一层次的水平，但是有利有弊。在高速发展的同时，伴随着生产，许许多多的有机及无机污染物也越来越多，主要是人们经常提到的工业三废，分别是废液、废气和废渣。众所周知，气体和液体一类的污染物的扩散性特别的强，所以工业所产生的废水和废气开始成为很不容易控制的主要污染物。节约资源，保护环境是我国发展的基本国策。现在，作为经济新常态的发展阶段，我必须做到适当合理地控制和处理各种有机及无机污染物对我们人类造成的威胁，其中主要表现为污染物对我们赖以生存的基本资源的污染和破坏，导致我们的生活品质越来越低，是我们人类发展繁衍不容忽视的障碍。这些遭到破坏和发展的基础资源主要是水资源，耕作的土壤资源和人们所生活的大气环境。近来，饱受大家关注的大气污染问题是环境综合治理的重中之重。为了人类的发展和响应中央生态文明建设的需要，我们首要面对和需要解决的问题已经明显的摆在我们的眼前，那就是研究和发展能把污染物转化为无毒无害物质的实用技术，这个问题是环境保护和污染物处理的关键，需要广大的环境及其相关的科技工作者不断地努力，不断地创新。在许多前辈的不断努力下，目前有一些较为传统且具有代表性的化学污染物处理方法已经投入实际生产中，主要包括：高温焚烧处理法、化学氧化法、物理吸附法、微生物降解法,^[1]就目前的情况来说，这些方法对环境的保护和处理污染物起了无法忽视的作用。但是我们仔细分析，并不难发现这些传统污染物的处理方法存在着一些不容忽视的弊端。比如高温焚烧法不能彻底的把污染物转化为无害物，而是产生了二次污染，此外，物理吸附法和微生物处理法这些技术存在着效率低和处理效果不理想的问题,而且还存在使用范围较窄的局限。总而严重，在看到传统技术对我们生存环境起到改善的同时，我们也不得不看到这些技术的弊端和局限性。所以说，开发和研究新型的低污染、低能消和高效率的污染物处理手段是我们不断奋斗和追求的目标。目前相对而言，符合这些要求的污染物处理技术就是光催化技术。^[2]简单来说，在一定能量光的作用之下，半导体材料由于其特殊的能带结构，能够产生两种高活性的活性物种，这两种活性物种与体系中的其他物种作用后产生的物种能高效地使有机物污染物被氧化，使重金属离子被还原。除此之外，人们还发现光催化技术有杀死细菌的作用。能源短缺是当前我们所需解决的重大挑战，在有效解决环境污染的同时，光催化技术有望在解决能源问题方面崭露头角，是人们在研究和解决资源问题时值得考虑的重要方向。光催化技术在解决能源问题方面，特点是在于可以将相比其他能源来说较容易得到的光能通过较简单的光催化步骤转化为高价值的化学能，所以光催化技术在新能源研究方面具有巨大的潜力。^[3][4]

目前，随着光催化技术的发展，人们已经把光催化技术应用到一些实际领域。^[5][6]光催化技术可以应用在处理室内有毒有害气体方面，大家都知道，因为装修时所使用的装修建材中含有许多对人体不利的物质，这些物质轻则引起身体不适，重则导致癌症，其中包含甲醛、二甲苯、一氧化碳、二氧化氮和二氧化硫等对人体不利的气体。在处理室内空气中污染物方面，研究光催化性能较好的负载型光催化剂和结合光催化剂的空气净化装置是主要的发展趋势。在光催化技术起步较早的国家，利用光催化技术设计生产的空气净化设备已经有所进展，大部分应用在处理室内、工厂和医院的有毒有害气体。另外，水中污染物的处理也是光催化技术的重要用途，光催化技术在把有机污染物降解的同时,还使重金属离子还原消除。^[7]虽然在处理一些特定结构的有机物时，如含苯基和长链烷烃的表面活性剂，光催化剂并不能彻底将其氧化，但是可以打碎苯环和长链烷烃，这样可以降低这类有机物在微生物降解的过程中使微生物降解效率降低的效应。换言之，在微生物降解前，用光催化剂预处理后，可以提高微生物降解的效率。在针对含磷和含氮的有机化合物时，光催化剂能够把这样的结构彻底破坏，从而降低该结构的毒性。^[8]总的来说，光催化技术在解决境污染问题和资源短缺问题方面有着巨大的研究和应用价值。

1.2光催化技术原理

具有半导体特征的物质，我们可以考虑用作光催化剂，具体而言半导体催化剂只能说是光催化剂的一种类型。半导体材料在能带结构方面来说，它的禁带宽度表现出比导体宽且比绝缘体窄的特点。是不同于导体和绝缘体的一种材料，在禁带宽度方面，在宽于导体的同时，还窄于绝缘体。在外界能量的激发下，处于低能量上的价带电子发生跃迁的现象，激发到了能量较高的导带上去，结果导致光生空穴在价带上产生，光生电子在导带上产生，这样的特有的现象导致了半导体材料具有了特别的性质，这样特殊的性质就为光催化剂的基本性质。^[9]

半导体基本上划分为本征型的半导体与掺杂型的半导体。本征半导体，一般来说，说的是那些绝对不含杂质而且还要无晶格缺陷的纯净半导体。这种类型的半导体材料，在受到能量的激发后，在导带和价带位置形成的光生空穴（带正电）和光生电子（带负电）的量是一致的。而在普遍的实际状况下，以上描述的绝对的本征半导体根本无法找到的。普遍的实际情况下，主要存在的是掺杂型半导体，在这种半导体中，有痕量的其它元素掺杂，半导体电性能就会发生无法忽略的改变。当考虑掺杂的元素化合价的时候，这时掺杂型半导体又可分为N型半导体和 P 型半导体。N 型半导体和 P 型半导体的划分如下：当掺入的了高价元素，形成激发态电子多于空穴的现象，这属于N 型半导体；当掺入了低价元素，激发态空穴多于电子，则是P 型半导体。

半导体的能带结构是由价带、导带和禁带构成的，半导体能带具有不连续的特点，在未受到外界能量刺激的情况下，电子在低能量的价带区域活动，所以导带区域是空的，没有电子活动。禁带指的是介于价带和导带之间区域，禁带的大小使用禁带宽度这个量来表示。在光激发下，当光的能量大于禁带宽度时，位于价带上的电子就会发生跃迁，这些跃迁的电子越过了禁带到达导带，这样的光吸收就是本征吸收，而这样的跃迁就是带间跃迁。当发生了这样的跃迁现象之后，就会在价带上产生带光生空穴h （带正电荷），在导带产生光生电子e-（带负电荷）。因为受到库仑力的作用，就形成了在光照为激发条件的，由电子和空穴组成的电子-空穴对，我们称之为光生电子-空穴对。在电场的作用下，带负电荷的光生电子和带正电荷的光生空穴往不同方向运动，电子往无电子方向运动，空穴往相反方向运动，最后结果是它们都迁移到半导体粒子表面，它在粒子的表面表现出活性物种的特性。光生电子和空穴都对半导体材料的导电性能做出了至关重要的贡献，它们的形成和活动变化都是半导体材料性能的关键，值得进一步研究。光生电子和空穴对半导体材料的导电性能做出贡献主要表现为：光生空穴和电子在电场作用下到达半导体粒子的表面后，因为自生的性质分别进行氧化还原反应，与周围环境的物种发生作用，形成活性更高的活性物种，从而达到最终氧化和还原污染物的目的。具体的表现为：被吸附在粒子表面电子受体在电子作用下被还原，当体系中溶解的氧数目很多的时候，溶解的氧接受电子还原为超氧自由基；在空穴作用下，粒子表面吸附的电子供体将会被氧化，生成羟基自由基或者氧气。电子迁移的效率除了由半导体具体的能带结构来确定外，同时还取决于被吸附物质的氧化还原电位。在电子和空穴迁移和活动过程中，会发生电子与空穴的复合，复合和荷电载流子迁移是相互竞争关系。通常，电子与空穴的复合表现为内部复合和表面复合。^[10]已经分离的电子和空穴在迁移的过程中重新复合的现象是内部复合。这里所说的内部复合我们可以理解为半导体材料内部电子和空穴的相遇就导致了内部复合的产生。外部复合指的是当空穴和电子迁移到粒子表面后重新相遇而发生的，相遇的同时，电子和空穴各自所具有的能量也随之消失。如果在半导体材料进行一些处理，那么可以减少发生复合的可能，从而提高量子效率。常用的处理方法主要是在材料表面形成缺陷、使用恰当的俘获剂或着通过其他作用（如内电场作用），这些方法在一定条件下可以达到抑制电子和空穴再次相遇的目的。电子与空穴将更容易的分离开来，迁移到催化剂表面的不同位置。

1.3光催化研究进展

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