【摘 要】
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氯氧化铋(BiOCl)由于其内建电场的存在有利于光生电子的分离和转移。单一的BiOCl由于对可见光的吸收利用低,光生电子与空穴复合几率高,因此单一的BiOCl的光催化效率较为低下。本论文首先利用Materials Studio模拟计算软件对BiOCl的不同改性结构模型进行计算分析,实验部分采用不同稀土元素掺杂对氯氧化铋进行改性,并且采用氩气气氛的低温等离子体作为处理手段对所合成的样品进行表面改性,
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氯氧化铋(BiOCl)由于其内建电场的存在有利于光生电子的分离和转移。单一的BiOCl由于对可见光的吸收利用低,光生电子与空穴复合几率高,因此单一的BiOCl的光催化效率较为低下。本论文首先利用Materials Studio模拟计算软件对BiOCl的不同改性结构模型进行计算分析,实验部分采用不同稀土元素掺杂对氯氧化铋进行改性,并且采用氩气气氛的低温等离子体作为处理手段对所合成的样品进行表面改性,利用XRD、SEM、TEM、EPR、PL、UV-vis DRS和电化学测试分析仪器等表征分析手段,对改性后的样品的表面形态、材料的元素构成方式、对光的吸收性能以及对电子传输性能进行了分析,通过对罗丹明B(Rh B)以及甲基橙(MO)两种染料的光下分解实验,推广应用于含有四环素(TC)的医疗废水的净化,表征测试BiOCl对不同污染物的降解能力,分析BiOCl催化降解污染物的过程与作用机理。通过模拟与实验结果的结合探究稀土元素掺杂以及表面氧空位对BiOCl催化性能的影响。具体实验工作如下所示:(1)第一性原理模拟计算改性BiOCl的研究。利用Materials Studio软件,构建本征BiOCl、稀土元素掺杂BiOCl、含有氧缺陷BiOCl以及含有氧缺陷的稀土掺杂BiOCl计算模型,利用广义梯度近似(GGA)里的PBE泛函对所构建的模型进行计算,分析改性后BiOCl材料的能带结构、电子结构以及光学性质的变化。此部分的计算研究结果说明了La、Tb、Gd、Eu以及Yb五种稀土元素掺杂对于BiOCl材料的光学性能影响较小,其中La与Yb元素的掺杂对于BiOCl材料独特的电子结构不会产生破坏,使得体系更加稳定的存在,因此根据第一性原理模拟计算的结果选择Yb或者La元素作为掺杂的稀土元素。根据对含有氧缺陷BiOCl以及含有氧缺陷的稀土掺杂BiOCl模型的计算结果可知,氧空位的存在可以有效的降低半导体材料的禁带宽度,从而实现BiOCl对可见光的响应,提高材料的光学性能,根据分析可知,氧空位对于BiOCl性能的提升存在一个最佳的数量值。(2)稀土元素掺杂BiOCl改性研究。采用一步水热法合成不同稀土元素掺杂的BiOCl,利用XRD、SEM、TEM、PL、UV-vis DRS和电化学工作站等测试手段,分析样品的光吸收性能、形貌结构、元素分布、光生载流子分离与迁移效率、光催化降解效率以及稳定性。研究结果表明Yb元素掺杂BiOCl材料对Rh B的降解效果最佳,并且其荧光光谱(PL)以及光电流响应表征分析结果证明其光生载流子的分离效率最高,因此Yb掺杂BiOCl材料具有最佳的光催化活性,但所合成的稀土元素掺杂BiOCl材料对光的响应没有大的改变,仍无法实现对可见光的响应,为了进一步对BiOCl材料改性,通过采用氩气低温等离子体对样品进行处理,使其产生表明氧空位,从而提升其对光的利用率。(3)氩气等离子体改性Yb掺杂BiOCl性能研究。采用氩气气氛的等离子体对样品进行处理,实现对BiOCl材料进行缺陷调控,使其表面产生氧空位缺陷。利用XRD、SEM、TEM、EPR、PL、UV-vis DRS和电化学工作站等表征测试手段对样品的光吸收性能、形貌结构、元素分布、光生载流子分离与迁移效率、光催化降解效率以及稳定性进行分析。研究结果表明通过等离子体处理后,样品表面会产生刻蚀的现象,通过EPR表征分析可知材料产生了表面氧空位,使样品中光生载流子的分离和转移速度得到很大的提高。通过样品对MO染料体系的降解效果,得出氩气等离子体处理60 min的样品具有最好的光催化性能,经过60min的紫外及可见光照射后降解了86%的甲基橙,经过30min的紫外及可见光照射后降解了93%的四环素以及90%以上的罗丹明B,由此可知表面氧空位缺陷与稀土Yb元素掺杂对BiOCl性能产生协同作用,显著的提升了BiOCl的光催化性能。
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