Bi5O7I基复合半导体材料的合成及光催化性能研究

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环境污染一直威胁着人们的身体健康,抗生素污染的危害显得尤为严重,利用太阳光来解决这些问题得到了各国科研人员的普遍关注,而半导体材料在其中扮演核心角色。半导体光催化技术逐渐从实验室转向到实际应用中,但是在降解效率方面仍然存在极大挑战,迫使我们寻找一种稳定且高效的光催化体系,能够具有相对较宽的光响应范围、高的量子效率以及能够有效促进光生电子-空穴对分离。在众多的光催化材料中,BiOI因为具有较窄的禁带宽度而被广泛研究,但是同时也导致它的价带和导带无法处于合适的位置。本论文通过对BiOI的后处理形成Bi5O7I,并进一步与BiOCl和g-C3N4等半导体材料分别复合而形成一系列光催化材料,促进其光生电子-空穴对的有效分离,从而增强光催化活性。具体内容如下:首先,本文采用简单的醇热法制备出BiOI以及BiOCl,并且调节I源和Cl源的摩尔比,制备出不同比例的BiOI/BiOCl复合材料。通过对BiOI/BiOCl复合材料的煅烧,制备出Bi5O7I/BiOCl复合半导体材料,并对样品进行X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),紫外可见漫反射光谱(UV-Vis),透射电子显微镜(HRTEM)等一系列表征。随后以罗丹明B(RhB)溶液以及盐酸四环素(TC)溶液为探针溶液测试了各样品的可见光光催化性能,实验结果表明BiOI经过煅烧后生成的缺碘型Bi5O7I具有更高的光催化活性。同时分析了形成Bi5O7I/BiOCl复合材料后,复合物的晶相、形貌、光响应范围、可见光光催化性能以及光电流等性质的变化。相比于单一的半导体光催化剂,所制备的复合材料在降解罗丹明B和盐酸四环素的实验中表现出更高的光催化活性。其中,40%Bi5O7I/BiOCl拥有最高光催化降解活性,在120 min内完全降解罗丹明B,并且在180 min内完全降解了盐酸四环素。这是由于BiOCl和Bi5O7I皆为p型半导体,复合后两种半导体在接触区域形成了p-p异质结,并且构成了内建电场。由于电场的存在,光生电子-空穴对的迁移受到限制,载流子寿命变长,量子效率提高。其次,通过对BiOI和尿素(CON2H4)混合物的煅烧,形成BiOI/g-C3N4复合物,再次煅烧便能得到Bi5O7I/g-C3N4复合物。相比于单一的半导体光催化剂,制备的复合半导体光催化材料在光催化降解罗丹明B和盐酸四环素的实验中表现出更高的光催化活性。其中,8%Bi5O7I/g-C3N4复合材料拥有最高光催化降解活性,在120 min内完全降解罗丹明B,并且在180 min内完全降解了盐酸四环素。这是由于Bi5O7I和g-C3N4两种半导体通过复合在接触区域形成了p-n异质结,构成了内建电场,促进了光生电子-空穴对的分离,提高了光催化性能。
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