碘化物改性BiOAC光催化剂文献综述

 2022-11-29 04:11
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文 献 综 述

  1. 实验的目的和意义

（1）目的：通过本次毕业设计，使学生掌握以碘化物如KI改性宽带隙半导体BiOAc的制备、可见光性能测试等方法，学会采用XRD、TEM、UV-Vis等表征产物结构及光学性质，用XPS分析异质结中各元素的组成及化学状态，并学会解析谱图，探讨I掺杂量对所制备光催化剂催化活性的影响。

（2）意义: BiOAc为原料，通过掺杂I元素制备可见光性能优异的半导体光催化剂，该方法生成固溶体BiOAcxI1-x，直至现在，都鲜有有关于BiOAc基固溶体的相关报告，所以这是一次较为新鲜的探索。同时，半导体催化剂拥有能够解决能源危机和环境污染的巨大潜力，而KI改性的BiOAc，在适当比例下，例如BiOAc0.67I0.33固溶体具有最高的可见光催化活性，能有效利用阳光对污染物进行降解。

  1. 国内外研究现状

韩巧凤等发现BiOAc0.67I0.33固溶体具有最高的可见光催化活性[1]，是由于它的超薄片状结构和最佳能级，可以有效阻止光生电子 - 空穴对的重新组合。众所周知，光催化反应发生在催化剂表面，因此光催化剂表面的物理化学性质会对其光催化性能产生很大影响，因此要控制各种光催化剂的结构和形态。。过去也有许多科研人员进行结构和形态对催化活性的探究，如Yu Huang等以超声喷雾热解法[2]，以柠檬酸铋和钨酸为前驱体，在碱性水溶液中得到多孔Bi2WO6微球光催化剂得到的多孔Bi2WO6微球。该多孔微球具有高结晶度，这意味着捕集阱更少，光催化活性更强。与块状Bi2WO6样品相比，所得多孔Bi2WO6微球在可见光或模拟太阳光照射下对NO的去除表现出优异的光催化活性。在太阳光和可见光（lambda;gt; 400nm）照射下，多孔Bi2WO6样品的最高NO去除率分别为110和27ppb / min。除了多孔微球结构外，Bo Lina,Guidong Yang, Bolun Yang，Yuxin Zhao b团队研究的三维有序大孔隙的构造（3DOM）[3]架构一直是提高性能和扩展半导体材料应用的最有吸引力的选择之一，具有3DOM结构的材料不仅具有均匀分布的宏观结构和高孔隙率，而且还具有强光子捕获能力和电子传输能力。3DOM结构对光捕获，反应物转移和光反应具有独特的结构敏感性，这种性质导致Bo Lina等人在研究过程发现3DOM石墨氮化碳 g-C3N4产生窄带电子带隙（2.65 eV）并具有优异的光催化性能有机染料降解的性能。与纯g-C3N4（层状结构），3DOM相比g-C3N4显示出约5.3倍的催化活性，BiOAc被认为具有独特的层状结构和间接过渡带隙特性，3DOM架构可能能成为一种改善BiOAcxI1-x的光催化性能的方法。新型3DOM光催化剂在催化，分离，电池材料和光子器件领域展示了各种潜在的应用。 晶面的差异也对催化活性有影响，BiOCl单晶纳米片用暴露{001}和{010}方面是有选择性的通过简便的热液路线合成。 所结果的具有暴露{001}的BiOCl单晶纳米片小平面对直接半导体表现出更高的活性紫外光下的光激发污染物降解，但是具有暴露的{010}方面的对应物间接染料光敏化的优异活性可见光下的降解[4]。

掺杂金属元素（铁）被认为是将3DOM TiO2的光谱响应扩展到可见光区域的典型方法之一，使用胶体晶体模板法制得的（3DOM）Fe3 掺杂的TiO2光催化剂[5]，通过XPS和

EDX分析证明，Fe3 离子已被引入TiO2晶格和掺杂Fe3 离子可以充当电子受体/供体中心以显着增强电子转移从TiO2的体积到表面，导致更多的电子参与氧还原因此降低了光生电荷的复合率。可见光驱动的AgBr锚定在TiO2纳米管的表面上，导致一个亲密的接触界面连接点。此外，Ag纳米粒子的SPR效应更强增加光诱导电子对的产生并有效地促进了光电子对的产生等离子体介导的界面电子转移[6]。

作者Xiangchao Meng等提出铋的半导体是最近开发的先进光催化材料的独特且有前景的组合[7]。它们已被广泛应用于几个领域，包括产生H2分解水，分解废水和污染空气中的有机和无机污染物，通过收获光能来进行有机合成。铋基电子结构半导体赋予它们适当的带隙，用于可见光响应和良好分散由Bi6s和O2p的杂化轨道组成的价带，使它们与其他金属氧化物半导体如TiO2相比成为有希望的候选者，TiO2的固有电子能带结构是该材料的众所周知的缺点，并且导致大的带隙大约3.2 eV。鉴于只有UVlight具有足够的能量来活化TiO2并引发光催化过程，使用这种配合物是不经济的。克服这种屏障的方法通常包括改变TiO2以缩小带隙（例如掺杂）或开发其他新型可见光响应材料。基于铋的半导体是可见光响应光催化剂的有希望的新候选者。它们的电子结构导致由O 2p和Bi 6s的混合轨道组成的价带，而TiO2的电子结构仅由O 2p轨道组成。据报道，分散良好的Bi 6s轨道增加了光生电荷载流子的迁移率和带隙减小。结果，基于铋的化合物通常具有小于3.0eV的带隙。已经制备了各种基于铋的物质并作为光催化剂进行了测试，例如， Bi2O3，Bi2MO6（M = Cr，Mo和W），BiVO4，BiOX（X = Cl，Br和I），BiPO4，Bi2S3。下来较为笼统地介绍一些Bi的半导体材料。

硫化铋（Bi2S3）有很多潜在的应用包括光伏，热电偶，电化学储氢和传感器由于其带隙窄，吸收系数大，合理的入射光子到电子转换效率，Bi2S3也是一种很有前途的光催化剂。它还可以与TiO2，CdS，BiOI，BiVO4结合使用[8]。卤氧化铋化合物BiOX（X = F，Cl，Br，或I）由于它们在水性染料降解中的有效光催化性能而备受关注，由它们独特的四方分层结构和间接过渡带隙[9]，BiOBr有着出色的稳定性,在可见光下展现出较高的催化活性,当投加量为0.2g,可见光下照射30min,20mg/L的罗丹明B溶液能全部降解[10]。然而单体BiOBr仍存在可见光响应范围小以及量子利用率低的问题,60%BiOBr/Bi2WO6复合物展现出最优的催化性能[11]。BiOI光催化剂是一种新型的三元氧化物半导体催化剂，在可见光区有很好的吸收，禁带宽度较窄，能有效的利用太阳光降解有机污染物，有一定的实际应用价值[12]。但是，他的氧化还原能力被他的较低价带所限制[13]BiOAc被认为具有独特的层状结构和间接过渡带隙特性，这有利于光生载流子的分离。然而，BiOAc较宽的能带间隙使它只能通过紫外照射，于是限制了对太阳光的吸收[14]，因此由KI改性BiOAc生成的BiOAc0.67I0.33具最佳能级。通过在空气中煅烧来研究所制备的BiOAc0.67I0.33固溶体的热稳定性。将BiOI分解温度降低到Bi4O5I2（410℃）和Bi5O7I（500℃）[15]。

  1. 参考文献
  2. Xuemei Jia, Zhen Yang, Qiaofeng Han , Xin Wang, Junwu Zhu，Ultrathin sheetlike BiOAc0.67I0.33 solid solution with optimal energy levels and enhanced visible-light photocatalytic activity，Catalysis Communications 119 (2019) 82–8.
  1. Y. Huang, Z. Ai, W. Ho, M. Chen, S. Lee, Ultrasonic spray pyrolysis synthesis of porous Bi2WO6 microspheres and their visible-light-Induced photocatalytic removal of NO, J. Phys. Chem. C 114 (2010) 6342–6349.
  2. B. Lin, G. Yang, B. Yang, Y. Zhao, Construction of novel three dimensionally ordered macroporous carbon nitride for highly efficient photocatalytic activity, Appl. Catal. B 198 (2016) 276-285.
  3. J. Jiang, K. Zhao, X. Xiao, L. Zhang, Synthesis and facet-dependent photoreactivity of BiOCl single-crystalline nanosheets, J. Am. Chem. Soc. 134 (2012) 4473–4476.
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  6. X. Meng, Z. Zhang, Bismuth-based photocatalytic semiconductors: Introduction, challenges and possible approaches, J. Mol. Catal. A-Chem. 423 (2016) 533–549.
  7. J. Chen, S. Qin, G. Song, T. Xiang, F. Xin, X. Yin, Shape-controlled solvothermal synthesis of Bi2S3 for photocatalytic reduction of CO2 to methyl formate in methanol, Dalton Trans. 42 (2013) 15133–15138.
  8. A.M. Ganose, M. Cuff, K.T. Butler, A. Walsh, D.O. Scanlon, Interplay of orbital and relativistic effects in bismuth oxyhalides: BiOF, BiOCl, BiOBr, and BiOI, Chem. Mater. 28 (2016) 1980–1984.
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  11. 王伶俐, 方艳芬, 顾彦, et al. 模板法制备BiOI及其可见光降解有机污染物[J]. 太阳能学报, 2014, 35(5):919-924.
  12. S. Ouyang, J. Ye, J. Am. Chem. Soc. 133 (2011) 7757–7763
  13. J. Zhang, Q. Han, X. Wang, J. Zhu, G. Duan, Mater. Lett. 162 (2016) 218–221
  14. H.W. Huang, K. Xiao, T.R. Zhang, F. Dong, Y.H. Zhang, Appl. Catal. B Environ. 203 (2017) 879–888.

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