鐵酸鉍系半導體材料結構及其光催化性能.pdf

1、隨著全球工業(yè)技術的迅猛發(fā)展，人類在各個學科領域取得輝煌成就的同時所帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重，甚至開始威脅人類自身健康以及其他生物的生存環(huán)境。有機污染物是造成水污染的主要原因，而光催化技術可以利用太陽能有效地降解有機物污染，因此制備具有高量子產(chǎn)率且對可見光有快速響應能力的光催化材料是目前該領域的研究熱點。鐵酸鉍系化合物(BiFeO3、Bi2Fe4O9和Bi25FeO40)作為窄帶隙半導體，在可見光波長范圍內(nèi)的光響應特性，預示著其在光催化

2、領域具有潛在應用前景。本文采用第一性原理理論計算與水熱合成實驗驗證相結合的研究方法，系統(tǒng)地研究了鐵酸鉍系化合物半導體的結構及其光吸收和光催化性能，考察了貴金屬Ag對鐵酸鉍系化合物光催化性能的影響。
　　第一性原理計算結果顯示：(1)BiFeO3屬于直接帶隙半導體，帶隙為2.013eV；經(jīng)Ag摻雜之后BiFeO3轉變?yōu)殚g接帶隙半導體，其帶隙降低為1.301eV。(2)Bi2Fe4O9為間接帶隙半導體，其帶隙值為1.922eV；Bi2

3、5FeO40為直接帶隙半導體，其帶隙值為1.817eV。(3)通過分析BiFeO3和Bi2Fe4O9的外層電子布局，發(fā)現(xiàn)Fe-O為共價鍵，而Bi-O形成了離子鍵。(4)光電性質(zhì)計算結果顯示BiFeO3、Bi2Fe4O9以及Ag摻雜BiFeO3在可見光范圍內(nèi)均具有明顯的光吸收特性。
　　通過調(diào)整水熱法工藝參數(shù)可以制備純相BiFeO3、Bi2Fe4O9和Bi25FeO40粉體。三種半導體材料的最佳合成工藝參數(shù)分別為：對于BiFeO3，

4、KOH濃度為8.5M的情況下，200℃反應12h可以得到尺寸為10μm的由細小顆粒集聚而成的團聚體；對于Bi2Fe4O9，KOH濃度為4M的情況下，200℃反應6h可以得到形貌尺寸為幾十納米厚的單分散薄片。對于Bi25FeO40，KOH濃度為4M的情況下，80℃反應12h便可獲得正方形薄片層狀疊加而成的純相Bi25FeO40粉體。
　　由光吸收性能測試結果得出了BiFeO3、Bi2Fe4O9以及Bi25FeO40的帶隙值分別為1.

5、93eV、1.4eV或1.7eV(Bi2Fe4O9為雙帶隙材料)和1.63eV，與第一性原理計算結果相符。光催化性能測試結果表明三者均有很強的光催化降解亞甲基藍溶液的能力。光照射120min后，亞甲基藍溶液濃度降解效率依次為Bi2Fe4O9(81.3％)、BiFeO3(86.3%)、Ag-BiFeO3(87.0%)以及Bi25FeO40(87.2%)，說明層狀結構Bi25FeO40粉體光催化效果最好，完全可以替代BiFeO3作為性能最佳