新型可见光催化剂bivo4的制备与分析-preparation and analysis of novel visible light catalyst bivo _ 4.docx

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。文中除已经标明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期:年月日日期:年月日1绪论1.1研究背景进入20世纪以来，经济高速发展、人口剧烈膨胀，能源的供给对于人类社会进步的影响越来越大，伴随而来的全球环境问题也日益严重。各种有毒、有害的污染物在环境中不断地积蓄，对生态平衡造成了严重破坏，也威胁着人类的生命健康。所以，人类继续向前发展的前提在于能否有效地控制与治理环境污染。光催化剂降解污染物的优势在于可以只利用太阳光而无需其它人造能量，同时将有机物分解为CO2、H2O等环境友好的小分子，不会对环境造成二次污染。所以，光催化技术作为一种新型技术，因为可以有效地处理难降解污染物而受到了研究者的广泛关注[1-3]。多相光催化领域开始于1972年Fujishima利用TiO2单晶电极光电催化分解水的发现[4]，后来，有学者利用TiO2作为光催化剂将CN-氧化为OCN–实现[5]，又将光催化剂研究领域扩展到水中污染物的处理。由于光催化技术在处理污染物方面效率高、节约能源、并且清洁无毒、不会对环境再次造成污染，而且制备工艺简单，所以半导体光催化剂也被普遍认定为一种新型绿色催化剂[6-9]，在各种生活环境净化方面都有广阔的应用前景，比如室内污染空气净化、有机废水以及生活用水的深度处理等方面。光催化剂技术经过多年的发展，催化剂材料体系不断丰富、各种制备方法也层出不穷、并且催化剂性能也越来越优异。因此，在光催化分解水制备氢气、氧气[10]、光催化降解有机、无机污染物[11]以及光催化合成等众多方面都有研究及应用。目前，应用比较广泛的光催化剂主要是带隙大于3.2eV的半导体如TiO2和ZnO等。这类催化剂有一个共同的缺点：只能利用太阳光总能量中的不足5％的紫外线部分。所以从提高太阳光能量利用率角度来讲，将光催化剂的响应区域扩展到可见光区(能量大约占太阳能总能量的43％)将是提高太阳能转化效率的重要途径[12-14]。因此，寻求高效、稳定、廉价的可见光响应催化剂将是光催化进一步走向应用的关键。1.2半导体催化的基本原理根据固体能带理论，半导体的能带是不连续的，价带由于充满电子而处于低能态，导带没有电子而处于高能态，在低能态和高能态之间存在禁带，低能价带和高能导带之间的能量差称禁带宽度。这种特殊能带结构决定了半导体可作为光催化剂材料。目前，金属硫化物和氧化物作为光催化剂研究较多，这类半导体催化剂的禁带宽度一般都较大，例如研究最多的光催化剂TiO2的禁带宽度为3.2ev。当太阳光照射到半导体上，只要光子能量大于或者等于半导体的禁带宽度，半vb导体价带上的电子就可以被激发迁至导带，同时在价带上生成光生空穴(h+)而在导带上生成光生电子(ecb－)。半导体内这种特殊的能带结构使光激发而形成的光生电子-空穴存留时间可达到纳秒(ns)至皮秒(ps)数量级，从而使这些光生电子、空穴有足够的时间迁移到半导体表面，并与吸附在表面的物质发生电荷转移[15]。光生电子、空穴在半导体内有多种变化途径，其中主要是电子、空穴的复合以及迁移-捕获两个相互竞争的过程。图1.1所示为半导体的光激发过程[16]，当半导体受光激发生成光生电子和光生空穴之后，分离的光生电子和空穴的变化途径如下：①分离的电子和空穴可以迁移到半导体界面与异性电荷发生复合(图1.1(A))，②在半导体内转移并与异性电荷发生复合(图1.1(B))，或者③在外场的作用下，转移到半导体表面与吸附在半导体表面的受体物质发生氧化-还原反应(图1.1(C)(D))。光生电子为负电性，呈现出强还原性，光生空穴为正电性，可夺取吸附在半导体颗粒表面物质中的电子，呈现出强氧化性，从而使原本不吸收光的物质被氧化。所以，半导体在光照条件下在其表面产生的氧化-还原对才是降解污染物的前提条件，但是光生电子-空穴的复合使半导体内有效的氧化-还原对减少。因此，如果使电子-空穴能更有效的分离与转移，需要将受体物质预先吸附在催化剂表面上[17]，那么半导体能够提供电子并使电子受主被还原，而空穴则能迁移到表面使吸附于半导体表面的