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半导体光催化剂Bi2WO6在有机污染物降解方面展现了良好的应用前景,但本征态的Bi2WO6带隙偏大,光生载流子的复合率偏高等问题限制了其快速发展和应用。近年来,针对Bi2WO6的掺杂改性研究吸引了众多研究人员的注意,各种过渡金属元素被尝试掺入Bi2WO6中,并获得了很多不错的效果。这些工作中,多数成果没有对Bi2WO6掺杂影响光催化性能的机理进行深入的研究,甚至不清楚这些掺入离子是否在Bi2WO6中形成有效掺杂,形成的掺杂是在Bi位还是在W位也不甚清楚。基于以上有关Bi2WO6研究中存在的系列问题,本论文首先通过密度泛函理论(DFT)计算研究了本征Bi2WO6和离子掺杂后缺陷态Bi2WO6的掺杂位置、化学键长、电荷布居、能带结构、态密度、缺陷形成能等关键参数。然后,在理论计算结果的基础上,采用水热法或溶剂热法合成了不同离子掺杂的Bi2WO6,研究了离子掺杂对Bi2WO6的晶体结构、化学组成、显微结构和光催化性能等的影响,并进一步研究了掺杂行为对光催化性能的改善机理。最后,在前期理论计算和实验结果的基础上,进一步探索了Bi2WO6薄膜的湿敏特性和Bi2WO6/Bi2O3异质结复相材料的光催化特性。研究了氧空位缺陷对BixWO6光催化性能的影响。DFT计算结果表明,氧空位可显著减小Bi2WO6的带隙。氧空位可增强Bi2WO6的内部电场,增加电荷密度,有利于光生电子的生成,并有效抑制电子-空穴的复合。采用溶剂热法合成了具有氧空位的W自掺杂BixWO6(x= 1.81,1.87,1.89,1.92,2.01),实验结果表明,W元素的自掺杂使Bi2WO6的晶体结构发生了微小变形,对Bi2WO6的显微结构影响不大,但会影响氧空位的含量和光吸收性能。W元素自掺杂Bi2WO6样品中,Bi1.89WO6的光催化性能最佳,可见光照射180 min后,可降解98%的罗丹明B(RhB)。研究了Mg2+掺杂行为对Bi2WO6的影响。DFT计算结果表明,掺杂Mg2+后Bi2WO6的晶格发生了微小畸变,带隙减小,没有出现Mg的杂质态密度,但掺杂后的费米能级下移;能级分裂,局域性降低,有利于电子激发。采用水热法合成了 Mg2+掺杂Bi2WO6光催化剂,结果表明,掺杂Mg2+后Bi2WO6的比表面积增加,晶格发生微小变形,紫外-可见吸收光谱发生红移。Mg2+掺杂量摩尔比为1%时Bi2WO6的光催化性能最好,可见光照射45 min后可降解94.15%的RhB。研究了Co2+掺杂行为对Bi2WO6的影响。DFT计算结果表明,Co2+掺杂后,在Bi2WO6的禁带中形成了Co的杂质能级;掺杂Co2+没有明显改变Bi2WO6的禁带宽度,掺杂后的Bi2WO6保持了正交晶型结构,其晶格发生了微小变形。采用溶剂热法合成了 Co2+掺杂的Bi2WO6,结果表明,掺杂Co2+后,Bi2WO6的比表面积有所增加,产生了更多的氧空位,带隙略有减小;当Co2+掺杂量摩尔比为1.78%的时,Bi2WO6的光催化性能最好,可见光照20 min可降解99.5%的RhB。研究了In3+掺杂行为对Bi2WO6的影响。DFT计算表明,掺杂In3+后,Bi2WO6的禁带宽度变化不大,没有在禁带中引入杂质能级;In3+杂质态密度出现在价带顶和导带底,掺杂体系的费米能级没有进入价带顶。采用溶剂热法合成了In3+掺杂的Bi2WO6,结果表明,In3+掺杂量摩尔比小于15%时,对Bi2WO6晶体结构的影响较小,当掺杂量达20%时,开始出现晶格畸变;掺杂In3+后,Bi2WO6的带隙减小、比表面积增大,吸收带边红移。In3+掺杂8%时Bi2WO6的光催化性能最好,光照120 min可降解93%RhB。研究了Sn2+掺杂行为对Bi2WO6的影响。DFT计算表明,在Bi2WO6的Bi位掺杂Sn2+后,在Bi2WO6的能级结构中形成了杂质能级,禁带宽度减小。采用溶剂热法合成了Sn2+掺杂的Bi2WO6,结果表明,掺杂Sn2+后,没有改变Bi2WO6的基本物相和显微形貌,但其带隙变小、比表面积增大;掺杂Sn2+后,显著提高了Bi2WO6的可见光催化性能,当Sn2+的掺杂量摩尔比为10%时,可见光照120 min对RhB的降解率为84.64%。研究了Er3+掺杂行为对Bi2WO6的影响。DFT计算表明,在Bi2WO6的Bi位掺杂Er3+后,Bi2WO6的晶格畸变较小,在Bi2WO6的能级结构中形成了杂质能级,禁带宽度减小。采用溶剂热法合成了稀土离子Er3+掺杂的Bi2WO6,结果表明,掺杂Er3+后,Bi2WO6的基本物相和显微形貌未明显变化,但其带隙变小;当Er3+掺杂量摩尔比为4%时,Bi2WO6的光催化性能最好,可见光照射150 min可降解91.5%的RhB,较未掺杂Bi2WO6的提高了83%。为进一步理解离子掺杂和氧空位对Bi2W06电子结构和光催化性能的影响机制,通过DFT理论系统研究了Bi、O、W三种掺杂位不同元素掺杂后对Bi2W06电子结构和晶体结构的影响,结果表明,Bi位Na、Zn、Sb掺杂后体系带隙均减小,Zn掺杂时在禁带中形成了杂质能级;O位N、S、F、Cl、Br掺杂后体系带隙均减小;W位V、Nb、Cr、Mo掺杂后体系带隙均有减小,掺杂后价带顶附近能带结构变化不大,导带中均引入了杂质能带;通过对Na、Mg、Cr、Co、In、Sn、Br原子掺杂后形成O空位情况的计算,表明掺杂比不掺杂Bi2WO6更容易形成O空位。研究了Bi2.1W06薄膜的湿敏特性。采用前驱体旋涂法在玻璃基板上制备了不同Co2+掺杂量的Bi2.1WO6薄膜。当pH值为4,热处理温度为300℃时,薄膜的覆盖率最好,其颗粒为纳米棒状。掺杂Co2+后,薄膜晶粒尺寸和带隙减小。Co2+掺杂Bi2.1WO6薄膜器件在湿度范围为10%到60%的灵敏度较高,而在60%到100%湿度范围的灵敏度较低。通过掺杂Bi2WO6材料的交流阻抗测试,明确Bi2W06中存在氧离子导电机制,进一步证明氧空位的存在,从而建立了掺杂-氧空位-光催化性能三者间的联系。研究了Bi2WO6/Bi2O3异质结复相材料的光催化特性。采用固相合成法合成了Bi2+xWO6+1.5x(x=-0.25,0,0.25,0.5,1.0)复相光催化材料。Bi2+xWO6+1.5x复相材料与Bi2WO6纯相相比,在可见光区的吸收都有所增强。当x≥0.25时,Bi2+xWO6+1.5x复相材料的光催化性能优于Bi2W06纯相,且Bi2.5W06.75的光催化性能最好,可见光照射25 min后,几乎降解了 100%的RhB。