铋基氧化物异质结构纳米纤维的静电纺丝合成及光催化研究

本研究拟采用静电纺丝技术可控合成铋基氧化物（BiVO4，Bi2WO6，BiOI等）异质结构光催化纤维材料。通过跟踪单一铋基氧化物纤维的电纺过程，探讨前驱体溶胶流变性能参数、电纺实验操作条件以及凝胶纤维晶化工艺对材料形成过程的影响；研究电纺纤维的结构、形貌、比表面积与其可见光下光催化活性的关系。依据半导体能带结构特点设计铋基氧化物的异质结构组合体系，并通过调控前躯体溶胶之间的匹配性与电纺喷嘴结构，获得纳米纤维的同轴核壳或肩并肩双组分异质结构。通过探讨其微观结构与其光化学反应活性之间的关系，研究光催化电纺纤维的异质结构界面行为及其光生载流子的形成、输运、分离等科学问题。本课题试通过电纺可控合成和异质结构优化设计的创新思路，研究可见光光催化材料实现高活性的方法与原理，这对于丰富静电纺丝技术和半导体光催化理论，推动光催化材料的实用化进程具有重要的科学意义。

本研究采用静电纺丝技术可控合成了单一铋基氧化物，其主要包括一维Bi2WO6、BiVO4、BiOI和BiPO4等纳米材料。研究中通过控制电纺溶胶流变参数和烧结工艺，获得了理想的一维结构与形貌，在此基础上探讨了纳米纤维的结构、形貌及比表面积与其光催化反应活性的关系。研究中依据半导体能带结构特点设计了铋基氧化物异质结构组合体系，通过调控前驱体溶胶之间的匹配性以及电纺工艺参数，合成了In2O3/Bi2WO6、TiO2/Bi2WO6、Bi(PO4)m(VO4)1-m、铁酞菁/BiPO4、TiO2/BiOI等异质结构纤维材料。通过样品的测试表征，讨论了铋基氧化物异质结构纤维在可见光下的光催化反应过程，探讨了其微观结构与其光化学反应活性之间的关系。结果表明，Bi2WO6、BiVO4、BiOI和BiPO4等铋基氧化物利用静电纺丝技术可以获得理想的纳米纤维的结构形貌。其中Bi2WO6纳米纤维在3.5 h内对亚甲基蓝(MB)的降解率为94.7%，较同组分纳米粉体的降解率提高了74 %，表现出了较高的可见光光催化活性。研究中合成制备的In2O3/Bi2WO6、TiO2/Bi2WO6、Bi(PO4)m(VO4)1-m、铁酞菁/BiPO4、TiO2/BiOI等异质结构纤维材料，通过体系的能带结构优化以及异质结构表现出来的界面行为，使其光催化特性有了明显的提升。其中铁酞菁/BiPO4异质结构纤维材料光吸收范围从320 nm拓宽到800 nm，大大拓宽了光催化剂的光吸收波段范围，同时促进了光生载流子的形成与分离，这对于开发研制光催化反应活性高、光吸收波段范围宽的新型光催化材料具有重要的科学意义。