论文总字数：21601字

目 录

1 引言 1

1.1 光催化技术的背以及优势 1

1.2 光催化技术的原理 1

1.3 硅酸铋的研究进展 2

1.4 研究目的 3

2 实验试剂与仪器 3

2.1 实验的主要试剂 3

2.2 实验的主要仪器 3

3 催化剂的合成及活性测试 3

3.1光催化剂的合成 3

3.1.1 形貌为三棱锥形的硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）样品的制备 3

3.1.2形貌为星星状的硅酸铋（Bi₂₄Si₂O₄₀）样品的制备 4

3.2光催化性能的测试 4

4 实验结果与讨论 4

4.1 硅酸铋（Bi₂₄Si₂O₄₀）与硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）的X射线衍射仪（XRD）分析 4

4.2 硅酸铋（Bi₂₄Si₂O₄₀）与硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）的扫描电子显微镜（SEM）形貌分析 5

4.3 硅酸铋（Bi₂₄Si₂O₄₀）与硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）在紫外光（λlt;420nm）下光催化活性的分析 6

4.4 硅酸铋（Bi₂₄Si₂O₄₀）与硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）的光电化学性能的分析 8

4.4.1 硅酸铋（Bi₂₄Si₂O₄₀）与硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）紫外-可见光漫反射光谱（UV-DRS）的分析 8

4.4.2 硅酸铋（Bi₂₄Si₂O₄₀）与硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）光电流和交流阻抗（EIS）的分析 9

4.4.3 硅酸铋（Bi₂₄Si₂O₄₀）与硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）荧光（PL）的分析 10

4.4.4 硅酸铋（Bi₂₄Si₂O₄₀）与硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）表面光电压（SPV）的分析 11

4.5 结论 12

5 总结与展望 12

参考文献 13

致谢 15

新形貌硅酸铋的形成以及它的光电化学性能

王晓婵

，China

Abstract: To date, in order to enhance the photocatalytic property, many methods are come up. That is certainly including the detection of new photocatalytic material. In this report, the characteristic of new photocatalytic material- Bi₂₄Si₂O₄₀ will be described. Above all, the research of this new material is reported firstly. The synthetic of Bi₂₄Si₂O₄₀ sample were by hydrothermal. What is interesting is that the morphology of Bi₂₄Si₂O₄₀ sample like little stars. Scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and BET are applied to analyze its characterizations. At the same time, photo-electro-chemistry properties of new Bi₂₄Si₂O₄₀ are tested. The text date are: ultraviolet-visible light diffuse reflectance spectra, photocurrent spectra, electrochemical impedance spectra(EIS), photoluminescence (PL) and surface photovoltage(SPV).

Keywords:Bi₂₄Si₂O₄₀；new morphology；analyze characterizations；photo-electro-chemistry properties

1 引言

1.1 光催化技术的背以及优势

近年来，随着工业的发展，能源危机和环境污染问题日益严重：水体污染状况加剧，工业废水排入江河湖泊，生活污水的肆意排放，造成水生动植物的死亡，水体环境平衡严重破坏，水体自净能力大大下降；大气污染状况加剧，工业废气排入大气中，造成全球气候变暖，冰川融化，并且造成影响范围广、伤害能力大的雾霾天气；土壤污染情况突显出来，盐碱地的蔓延，沙漠化的加剧，还有近几年日益显现出来的农药残留污染土壤事件，使得环境污染问题的治理得到越来越多的关注。我国是一个能源大国，但是近年来随着对不可再生能源的开采，比如煤炭、石油、天然气，他们的储备也越来越少，所以对于能源方面，我们国家也应该竭力开发新能源，来应对能源危机^[1]。因此，应对环境污染的手段和途径的探索是非常必要的，经济利益和环境利益如何找到一个很好的平衡点，是人们正在关注并竭力解决的问题。

以水体污染为例，工业污水中含有有机废水、无机废水、含有毒有害化学物质的废水；生活污水中，有机物的含量特别高；农业污水中主要含有农药残留，含有大量的氮（N）、磷（P）、钾（K）。现在处理环境污染，特别是对于水体污染有一些常用的手段：（1）物理方法：吸附法、萃取法、混凝沉降等。（2）化学法：改变污染物的状态，使之逃逸或者分解。（3）物理化学法：用吸附剂，比如活性炭进行吸附，从而将污染物聚集处理；用离子交换法，比如树脂进行离子交换，从而去除水中污染物；用膜分离法，选择性透过水体中的污染物。（4）生物法：比如说活性污泥降解水中污染物。随着纳米材料的发展，光催化技术越来越热，在废水处理上热度一直不减。废水的处理，不仅要去除废水中的有害、有毒物质，达到无污染排放，更要做到废水处理过程无害化、资源节约化。光催化技术很好的做到了这些方面。光催化剂在一定的条件下具有氧化还原能力，所以能达到净化环境的目的。光催化剂在紫外光的照射下更是有很强的降解有机污染物的能力。它具有以下三个优点：首先反应条件非常温和，可以在常温常压下进行，并且用空气中的氧气作为氧化剂。其次可以将大分子的有机污染物分解为无机小分子，如：二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）等。分解物无毒无害又非常环保，属于环境友好型的降解有机污染物的方法。最后：光催化剂的化学性质比较稳定，使用寿命很长，并且成本非常低^[2]。

目前，最具有代表性的光催化半导体材料是二氧化钛（TiO₂），两位来自日本的两位科学家Fujishima和 Honda第一次把二氧化钛（TiO₂）应用在光催化领域^[3]，此后，二氧化钛（TiO₂）广泛应用于光催化领域。可二氧化钛（TiO₂）只对紫外光（λlt;420 nm）响应，但紫外光（λlt;420 nm）不足太阳光总能量的5%，而太阳光总能量的43%都是可见光（λ≥420nm），因此，研究可见光响应型的光催化材料成为一种趋势。

1.2 光催化技术的原理

光催化材料的本质是半导体材料，半导体不同于绝缘体和导体：绝缘体不可以导电，而导体是可以导电的，半导体可以控制它的导电性^[4]。半导体有三个部分的能带：价带（VB）、导带（CB）和禁带（E_g）。关于光催化的原理一般这样解释：当照射在半导体材料上的光的能量和禁带（E_g）宽度相等或者比禁带（E_g）宽度大时^[5]，价带（VB）上的电子（e^-）受到高能量光的激发，会跃迁到能量比较高的导带（CB）^[6]价带（VB）上失去电子（e^-），形成带正电的空穴（h ）^[7]。光生电子（e^-）和空穴（h ）形成电子-空穴对^[8]。电子-空穴对具有很强的氧化还原能力，将有机污染物分解为水（H₂O）和二氧化碳（CO₂），以实现无毒无害降解污染物^[9]。

1.3 硅酸铋的研究进展

铋盐半导体材料包括Bi₂O₃， Bi₁₂TiO₂₀^[10-11],，Bi₂₀TiO₃₂^[12-13]， Bi₄Ti₃O₁₂ ^[14-15]，Bi₂Ti₂O₇^[16]，BiOX(X =Cl, Br, I) ^[17]， Bi₂WO₆，BiVO₄，BiFeO₃，(BiO)₂CO₃对于有机污染物具有很好的降解作用^[18]。铋盐的这个孤对电子很容易使能带杂交，这支持了电荷的转移和分离。同时，化学键也可以在很大的程度上影响半导体的光催化性能。庞露发表的文章中提到了她制作了一种新的羟基硫酸氧铋（Bi₂O(OH)₂SO₄）。与普通的羟基硫酸氧铋（Bi₂O(OH)₂SO₄）相比，这一种羟基硫酸氧铋（Bi₂O(OH)₂SO₄）具有更好的光催化性能。她把这种活性的提高归功于Bi-O-Si键的形成。Bi-O-Si键的形成为电子转移提供了一个良好的通道，有助于电子和空穴迅速分离。荧光、光电流和交流阻抗这些性能的表征证实了这一猜想^[19]。

二氧化钛（TiO₂）作为最经典的光催化材料一定有其优越性，但是由于电子空穴对极高的复合效率，造成它的量子效率非常低，是小于1%的。同时由于它3.2eV的宽带隙，它只能吸收波长小于387nm的紫外光。要想拥有活性好的催化剂材料它一定要具备两个特征：高电子迁移率和电子、空穴的低复合效率。硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）单体具有很好的光电导性，所以人们想把它往光催化材料上发展。

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