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优质的空气是地球生命繁衍生息的必要条件,污染气体组分中的NO_x被吸入后会刺激咽喉及肺部等器官,甚至影响神经系统造成大脑损伤,并有致毒致癌作用,极大地危害了生命健康。近些年,光催化氧化作为利用可持续能源太阳能去除低浓度NO_x的技术被广泛研究。在这篇论文中以探究金属Bi单质等离子效应的影响和构建高效新型铋系半导体光催化剂为目标,首先构建了单质Bi/BiPO4体系,研究了单质Bi等离子体效应和表面氧空位对于催化剂光吸收和电子-空穴对分离的影响,通过理论计算研究了其电子结构;然后构建了单质Bi/Bi4MoO9体系,研究了以铋系材料做核,单质Bi作壳的核壳结构对于光催化剂催化活性促进的作用,系统的研究分析了单质Bi的作用方式。最后通过还原剂量的变化构建了多元异质结体系Bi2O3/Bi2W06和Bi/Bi2O3/Bi2WO6体系,通过调控催化剂材料结构成分控制单质Bi表面等离子体效应和异质结效应的协调影响,系统的研究了两种效应对于激活无定形钨酸铋的影响。三个体系都利用原位红外研究其催化氧化污染物的过程反应,为拓宽催化剂光响应区域提高载流子分离效率和构建高效光催化剂提供了可行思路和理论依据。具体结论得出如下:(1)单质Bi/BiPO4体系催化剂(BP):本研究通过化学沉淀法制备出六方相BiPO4,再经过NaBH4还原在BiPO4表面负载Bi单质,制备出单质Bi/BiPO4复合光催化剂,并将制备的光催化剂应用于空气中低浓度NO的净化。通过XRD(X-ray diffraction,X 射线衍射)、SEM(scanning electron microscope,扫描电子显微镜)、TEM(Transmission electron microscope,透射电子显微镜)、UV-vis DRS(UV-visible diffuse-reflectance spectrum,紫外-可见漫反射光谱)和 ESR(electron spin-resonance spectroscopy,电子自旋共振)等表征手段对催化剂微观结构进行表征分析。利用原位红外光谱技术对催化剂可见光催化氧化NO的反应过程进行实时动态监测分析,结合ESR对自由基的捕获结果,提出了其反应机理。研究结果表明,单质Bi的表面等离子体效应促进了BiPO4对可见光的吸收。DFT(Density Functional Theory,密度泛函理论)计算表明,氧缺陷的存在使得在磷酸铋的价带和导带之间形成了中间能级,有利于价带电子的跃迁,促进光生电荷的分离。电子结构计算结果表明,单质Bi还充当储存和转移BiPO4导带上电子的媒介,光生载流子的产生和迅速转移使得光生电子-空穴对复合率降低。通过Bi单质的等离子体效应使BiPO4转化为可见光响应的高性能光催化剂。本文对于Bi单质基等离子体光催化的研究和气相光催化反应机理的认识提供了新的方法。(2)单质Bi/Bi4MoO9体系催化剂(BMO):Bi4MoO9由于其很正的价带位置(3.48eV)被认为是很有潜力的一种针对大气污染物矿化的催化剂。然而较高电子-空穴对复合率和较宽的禁带使得其光催化活性并不理想。为了提高钼酸铋的电荷分离率,改变钼酸铋在可见光条件下催化氧化NO的能力,本工作采用传统的水热法合成了立方相Bi4MoO9,在室温条件下,通过一种简单的化学还原方法在本底Bi4MoO9的基础上原位负载单质Bi,并利用Bi金属等离子体效应和构建的氧缺陷能级,辅助提高电子-空穴对的分离率。在可见光(λ>420nm)照射条件下,利用Bi/Bi4MoO9复合光催化剂催化氧化去除NO。改性后的样品对NO去除率最高可达(57.2%),远远超过纯Bi4MoO9(对NO的去除率为12.7%)。活性的增强可归因于光吸收和电荷分离效率的提高,其受益于Bi金属的表面等离子体共振(SPR,surface plasmon resonance)和氧缺陷构建的缺陷能级。本实验同时基于原位红外光谱研究提出了光催化氧化NO的反应机理。此研究的工作提供了一种新的方法来激活非可见光响应半导体,以便用于高效可见光光催化。(3)Bi/Bi2O3/Bi2WO6体系催化剂(BWO):由于快速的电荷复合速率,无定形半导体通常光催化效率极低。在这项工作中,为了激活无定形Bi2WO6,Bi2O3和Bi颗粒依次沉积在其表面上,通过NaBH4在室温下直接地原位化学还原无定形Bi2WO6。在得到的三元Bi/Bi2O3/Bi2WO6中,良好形成的异质结(即Bi-Bi2O3和Bi2O3-Bi2WO6)和Bi的表面等离子共振效应都有助于电荷载流子浓度的增加,有效的e-/h+分离然后增强可见光光催化性能。复合物中Bi,Bi2O3和Bi2WO6的摩尔比可以通过NaBH4的剂量来调节,因此可以调节每个异质结(即Bi/Bi2O3或Bi2O3/Bi2WO6)的量以及SPR效应的强度。可见光照射下的光催化NO去除试验表明,BWO-0.8(0.8表示NaBH4与Bi2WO6的摩尔比)的最大NO去除效率为55.4%,远高于原始无定形Bi2WO6(10%)。增强的活性可归因于Bi金属的SPR效应和异质结效应的平衡,使得它们的总体贡献最大化。通过原位FT-IR对光催化NO氧化的途径研究表明NO转化为吸附在催化剂表面上的硝酸盐。目前的工作可以提供一种激活非晶半导体以实现有效可见光光催化的新方法。本文通过对单质Bi等离子体效应、表面氧缺陷和异质结效应组合作用的研究,为对于宽带隙铋系半导体材料或无定形半导体材料的激活提供实验理论依据,对光催化材料催化氧化环境污染物NO的过程反应进行了深入系统的研究。本文同时也为光催化技术非均相气-固相反应应用于大气污染物控制走向实际应用提供一定的参考。