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二维超薄卤氧化铋纳米片的制备及其光催化性能的研究

王子栋  
【摘要】:近年来,由于煤炭、石油等不可再生能源的过度消耗造成了全球性的能源危机。除此之外,大规模的工业生产活动带来了严重的环境污染问题。因此,当前迫切需要探索有效的方案去应对上述问题。太阳能作为一种取之不尽的可再生能源具有清洁、易获取等优点,使得人们孜孜不倦地探索着如何高效利用太阳能。在这样的背景下,光催化技术应运而生。时至今日,光催化技术已经在水分解产氢/氧、CO_2还原和污染物降解等领域展现出可观的前景。众所周知,光催化技术得以实现的前提在于光催化材料的设计,半导体因制造成本低廉、毒性小、稳定性强等优点成为最受关注的光催化材料之一。除此之外,材料的微观结构对其物理、化学性质有着极大的影响。根据研究表明,当体相材料的厚度降低到原子水平(通常小于5 nm)时,局部原子结构(如配位数、键长、键角和表面原子的无序程度等)会出现明显的变化,由此形成较大比表面积、高表面原子占有比例和量子限域效应等特性,这些特性使得材料具有可调节的能带结构、更短的电荷载流子迁移距离和更高的晶面活性等优点。因此,二维超薄半导体光催化材料的制备一直是光催化领域的研究重点。然而目前大多数合成方法需要较为苛刻的合成条件(如高温、高压等)抑或繁琐复杂的合成手段(如定向附着、模板导向等)。在此背景下,本论文通过开发一种简便适用的水油两相胶体合成方法,制备了{001}晶面高度暴露的二维超薄BiOX(X=Cl,Br,I)纳米片,并对其光催化性能进行了研究。具体如下:在第2章中,首先对该合成方法制备的二维超薄BiOX纳米片进行了表征。在此基础上,通过系统地研究各种反应参数对产物的形貌、尺寸、厚度和组成的影响,提出了二维超薄BiOX纳米片的形成机理。抑制Bi~(3+)的水解对于{001}晶面高暴露二维超薄BiOX纳米片的生长是必不可少的。强酸性合成条件下,由于质子的吸附可以大大降低{001}晶面的表面能,这将极大地抑制BiOX晶体沿[001]晶轴方向的生长,并且还有利于提高该方向的结晶性。在第3章中,对该合成方法制备、可见光响应的BiOBr纳米片进行了光催化染料降解及光催化水氧化性能的测试。结果表明,有机染料分子的光降解效果主要由BiOBr纳米片的比表面积决定,而光催化水氧化性能取决于BiOBr纳米片的光生载流子分离效率。由于超薄BiOBr-acid-0.5纳米片具有较大的比表面积和较高的光生载流子分离效率,因此在这两方面均表现出最佳的光催化性能,其产氧量高达445.6?mol g~(-1)h~(-1)。综上所述,通过该水油两相胶体合成方法成功制备了{001}晶面高度暴露的二维超薄BiOX(X=Cl,Br,I)纳米片,由于其超薄结构减小了光生载流子的迁移距离、增大了比表面积、增加了表面活性位点等因素,因此具有优异的光催化性能。


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