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铁酸铋反蛋白石光子晶体的制备和光催化性能的研究

【摘要】:随着经济的不断发展、人口增多、环境恶化等问题日益严重,污染问题已经成为当今世界可持续发展一个严峻的话题。自从1977年Frank S Y等发现Ti O2微粒在紫外光范围内具备一定的光催化活性,Ti O2就因活性高、化学稳定、安全无毒、成本低廉等优点在光催化降解污染物领域中成为应用最为广泛的光催化剂。反蛋白石结构的Bi Fe O3有望成为更有意义的新一代光催化剂,原因如下:Ti O2带隙较大(~3.2 e V),当作为光催化剂时,只能仅仅利用太阳光中小部分的紫外光(3–5%)。Bi Fe O3由于具备较小的带隙(~2.18 e V),可以更有效的利用太阳光,尤其是太阳光中大部分的可见光。Bi Fe O3是一种铁磁性材料,有利于光催化剂的回收。反蛋白石结构相比于传统的薄膜具备更大的比表面积、更大的孔体积、慢光效应、可见光散射,以及反蛋白石结构的每个空气球之间还有内连通的空气孔、可以有效地增强光子与材料的反应程度,使有机物更快地降解,从而有效地提高光催化效率。本论文就是在此指导思想下,通过乳液聚合法制备了平均粒径为390nm、500nm、712nm、860nm的单分散聚苯乙烯微球,粒径分布标准偏差小于5%。实验研究表明不同试剂量对微球粒径有影响:过硫酸钾、苯乙烯浓度的增加均可增大聚苯乙烯微球的粒径。选用石英玻璃为衬底,利用流速可控的垂直沉积自组装方法获得高质量、大有效面积的三维蛋白石光子晶体模板。实验研究并建立了稳定的自组装工艺条件:室温为25℃,实验温度为38℃,蠕动泵转速1r/min,聚苯乙烯微球水溶液的质量分数为1.5%。采用分光光度计测量三维蛋白石光子晶体模板的光学带隙,并与理论计算的带隙中心波长相对比,结果吻合较好。采用105℃,5min的退火方案,有效增加了三维聚苯乙烯蛋白石光子晶体模板的机械强度、微球与石英衬底的附着力。采用溶胶-凝胶法制备了Bi Fe O3前驱体溶胶并填充到三维蛋白石光子晶体。溶剂选取去离子水:无水乙醇=1:1(体积比)时与聚苯乙烯蛋白石光子晶体模板的亲和性较好。通过旋涂(最佳实验参数为1000rad 10s,2000rad 10s),把Bi Fe O3溶胶填充到聚苯乙烯光子晶体模板中,经过40℃干燥20min的热处理和450℃、60min煅烧,制备出的Bi Fe O3反蛋白石光子晶体可作为可见光光催化剂,其截止波长为λg=580nm,即带隙为2.14e V。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、分光光度计等对样品进行表征与分析。考察样品的反蛋白石结构能否会增强光催化降解污染物(如罗丹明B)的能力。结果表明反蛋白石结构增强了Bi Fe O3的光催化性能,对其机制进行了分析,并对光子晶体周期对光催化性能的影响进行了研究。

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