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环境污染是21世纪全球经济可持续发展中所遇到的重大社会问题之一,同时也是科学家们研究的热点问题之一。半导体光催化技术以其绿色环保、无二次污染等优点,在应对和解决以上此类问题方面越来越受到人们的关注。 本文以Bi2WO6、BiVO4研究对象,主要采用简便的H2还原处理方法在其结构中引入氧缺陷,氧缺陷的引入可以改变Bi2WO6、BiVO4半导体能带结构,缩小禁带宽度,拓展可见光吸收;同时,增加表面化学吸附氧活性物种的含量,提高光生载流子的分离效率,从而最终提高其可见光催化活性。此外,在上述研究基础上,进一步利用乙二醇溶剂热法,制备具有较大比表面积的氧缺陷型Bi2WO6-x,氧缺陷的引入改变了Bi2WO6的能带结构,增加其表面化学吸附氧活性物种的含量,缩小催化剂的晶粒大小,增加比表面积。一定程度上实现了高可见光利用率、高光生载流子分离效率、多表面活性位点的目标,大幅度地提高了Bi2WO6、BiVO4半导体化合物的可见光催化性能。主要研究内容和结果如下: (1)采用简便的H2气氛热处理的方法,在Bi2WO6结构中引入氧缺陷,通过控制热处理温度以调控氧缺陷浓度,并以光催化降解气相苯的活性评价测试为参考,确定H2热处理的最佳温度点。结果表明:最佳H2热处理温度为200℃,氧缺陷的引入致使Bi2WO6导带下降、价带上升,禁带宽度缩小,可见光吸收强度和范围增大,且表面化学吸附氧活性物种含量提高了2.4倍,光生载流子分离效率明显提高,可见光催化降解气相苯的转化率提高到25.9%,矿化率达81.4%,可见光催化降解性能大幅提高。 (2)以乙二醇为溶剂,原位制备氧缺陷型Bi2WO6-x。在溶剂热反应过程中,由于乙二醇的粘度和密度较大、极性较弱,减小了Bi2O22+和WO42-的接触几率,抑制了Bi2WO6晶粒的团聚和长大,同时,在乙二醇弱还原作用下,逐渐形成氧缺陷型Bi2WO6-x。测试分析结果表明:乙二醇溶剂热制备的Bi2WO6颗粒大小~50 nm,氧缺陷的引入导致导带下降、价带上升,禁带宽度缩小,可见光吸收性能显著提高;表面化学吸附氧活性物种的含量增加了1.1倍,光生载流子分离效率大幅提高,可见光催化降解气相苯的转化率和矿化率分别提高至52.5%、80.6%,分别提高了72%和84%。 (3)同样采用 H2气氛热处理BiVO4,在 BiVO4结构中引入氧缺陷。通过改变 H2热处理的温度,以控制BiVO4结构中氧缺陷的相对含量,调整BiVO4能带结构,增加可见光吸收,提高表面化学吸附氧活性物种含量,从而达到改善BiVO4可见光催化性能的目的。结果表明:最佳的BiVO4热处理温度为225℃,表面氧缺陷的引入使得导带下降,禁带宽度缩小,表面化学吸附氧物种含量提高了71%,光生载流子分离效率显著提高,光电流响应相比纯BiVO4提高了2.1倍,可见光催化降解亚甲基蓝的活性提高了33%。 综合以上,氧缺陷的引入可有效地调整钙钛矿型和钨铋矿型半导体氧化物的能带结构和催化性能,这为后续的可见光响应的氧缺陷型半导体氧化物的研究、开发和利用提供了一定程度的理论参考和实验数据。