可见光响应低维钛酸铋纳米材料的控制合成及光催化性能研究

开发可见光响应的半导体催化剂是环境污染控制和可再生能源开发利用的重要方向。钛酸铋材料在太阳能转换和环境污染治理方面表现出良好的可见光催化特性，但在制备技术及能带结构等方面的限制，其光催化活性仍比较低。本项目拟采用液相化学工艺，控制初始原料、化学组分、表面活性剂、反应时间及温度等条件，明晰钛酸铋纳米材料的维度、尺寸、结构与性能之间的关系，可控组装具有新颖形貌的低维钛酸铋纳米光催化剂。在此基础上，通过阴阳离子掺杂调控能带结构和异相复合的方式构建异质结，明确其电子结构、载流子输运、晶体结构与能带结构间的相互关系，进而制备可见光响应的低维钛酸铋纳米材料。此外，利用原位负载技术，对其电子及空穴的活性点进行微观表面修饰，提高其催化效率。通过上述研究，实现高效率、长寿命、可见光响应的新型低维钛酸铋纳米光催化剂的有机污染物降解与水分解制氢，并探索其光降解机理和制氢机制。

尽管铋基化合物半导体材料有较好的光催化性能，但其制备工艺限制了应用。通过系列研究工作，解决铋基化合物半导体的不足，实施低维铋基光催化材料在环境能源领域的应用。(i) 通过水热法在较低温度下制备了Bi12TiO20纳米棒。相比P25、TiO2和普通Bi12TiO20粉末，Bi12TiO20纳米棒在可见光下高效的降解罗丹明B。为了优化其性能，通过碳修饰Bi12TiO20纳米棒，C-Bi12TiO20具有高比表面积和光生电子有效传输特性，在可见光下降解罗丹明B的光催化活性显著高于P25和Bi12TiO20。同时，二维氮化碳纳米片复合钛酸铋纳米棒，也展示了良好的降解污染物的效果。(ii) 通过水热法合成了花形、纺锤形、枣形的PANI/Bi12TiO20复合异质催化材料。纺锤形PANI/Bi12TiO20在可见光照射条件下展示了高效的光催化降解罗丹明B效果。其次，通过水热法制备了三维Bi12TiO20/TiO2异质结构，并由小型分层网络花形组成的二氧化钛纳米颗粒耦合钛酸铋纳米棒。异质三维Bi12TiO20/TiO2样品因具有高效的电荷分离特性而展现出良好的光催化降解罗丹明的光催化活性。因异质结具有高效的电荷分离特性，采用水热法制备了α-Bi2O3/β-Bi2O3 异质结，其氧化铋异质结展示了高效的降解污染物效率。(iii) 通过水热工艺制备了铬掺钛酸铋纳米片。因铬离子的引入，大大提高了可见光吸收范围。铬掺钛酸铋纳米片展示了较高的可见光下的制氢效率，这源于此纳米片沿着{001}晶面取向生长和较宽的可见光响应范围。同时，通过NiOx量子点均匀的沉积于纳米片的表面，大幅度提高的分解水制氢效率。其次，通过水热工艺制备了氮掺钽酸铋纳米片。二维N-Bi3NbO7纳米片具有较高的比表面积和较强的可见光吸收特性，展示了良好的光降解效果。同时，利用水热法制备了二维亚稳态Bi20TiO32介孔纳米片，并通过Ag-AgCl纳米晶耦合Bi20TiO32纳米片，其复合材料展示了很高的降解RhB和OA7的效果。综上所述，本项目成功制备了系列具有新颖形貌的铋基化合物纳米光催化剂，探索了其组装、电子结构、载流子输运，晶体结构与光催化能带结构间的相互关系；完善了纳米材料的维度、尺寸、结构与性能之间的关系；实现可见光响应的铋基化合物催化剂的高效的环境能源应用。