【摘 要】
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半导体材料在光催化领域具有广阔的应用前景,其中Bi2O3因具有显著的光电导率,不仅能够被可见光激发,而且价带上的空穴具有较强的氧化能力,从而成研究的热点,但Bi2O3材料的光生电子和空穴的快速复合直接降低了其催化活性。本文针对上述问题,利用元素掺杂、表面原位还原以及形成异质结等三种途径对Bi2O3进行了改性,增强了 Bi2O3的光吸收效果,促进了载流子的分离,抑制了其快速复合,同时研究了载流子的分
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半导体材料在光催化领域具有广阔的应用前景,其中Bi2O3因具有显著的光电导率,不仅能够被可见光激发,而且价带上的空穴具有较强的氧化能力,从而成研究的热点,但Bi2O3材料的光生电子和空穴的快速复合直接降低了其催化活性。本文针对上述问题,利用元素掺杂、表面原位还原以及形成异质结等三种途径对Bi2O3进行了改性,增强了 Bi2O3的光吸收效果,促进了载流子的分离,抑制了其快速复合,同时研究了载流子的分离和运输机制。主要的研究内容和实验结果如下:（1）通过溶胶-凝胶法合成了 Te4+/V5+共掺杂的δ-Bi2O3纳米粒子,并系统分析了阳离子掺杂对能带电子结构和催化性能的影响。XRD测试表明,Te4+和V5+掺杂在晶格中,并且Te4+/V5+共掺杂使Bi2-xTexVxO3（x=0.2）带隙变小,为2.408 eV。能带计算结果表明,Te/V共掺杂改变了 Bi2O3能带电子结构,Te 5s和Te 5p轨道分别参与Bi2-xTexVxO3导带和价带的组成。光催化性能测试表明,样品具有增强的光降解能力,在85 min内对罗丹明B的降解率高达95%,这是因为V5+/4+通过电子的得失作用,促进了载流子的分离,使载流子有更多的机会参与催化反应。（2）在有无抗坏血酸存在下,通过溶剂热合成了 α-Bi2O3,并经抗坏血酸的还原作用,将Bi0纳米颗粒附着在颗粒表面,得到Bi/Bi2O2.75复合材料,并系统分析了Bi0对光吸收和催化性能的影响。光吸收结果表明,与α-Bi2O3相比,Bi/Bi2O2.75的光吸收范围发生红移,在750 nm处出现截止吸收边,光吸收增加的原因可归结于Bi0的等离子体共振。罗丹明B的光降解测试表明,Bi/Bi2O2.75复合材料比α-Bi2O3具有更佳的催化效果,在120 min内达95%,这是基质Bi2O2.75与Bi0之间的协同作用所形成的结果。（3）通过水热法,在175℃下反应10 h,成功合成了花状LiBiO2/Bi2O3异质结,并系统分析了异质结对光吸收和载流子迁移的影响。光吸收结果表明,LiBiO2/Bi2O3异质结具有与LiBiO2相似的光学带隙（2.04 eV）,但却有更强的罗丹明B光降解能力,这是因为异质结的形成促进了电子与空穴的分离。在LiBiO2/Bi2O3异质结中,载流子的迁移机制采用直接Z-scheme异质结电荷传输机理,在成功抑制载流子复合的同时,赋予实际参与催化反应过程的载流子强的氧化还原能力。本论文通过Te4+/V5+共掺杂、生成Bi0以及与LiBiO2复合形成异质结的方法对Bi2O3进行了改性,成功的解决了电荷载流子复合几率高的问题,本论文为解决铋系半导体光催化材料存在的载流子复合几率高的问题提供了解决途径。
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