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Bi_4Ti_3O_(12)/TiO_2异质结的制备及光催化性能研究

【摘要】:TiO2具有高的催化活性、良好的化学稳定性、无毒、成本低等特点,被广泛应用于再生能源以及环境保护等应用研究领域。但是由于TiO2的带隙较宽(锐钛矿相:3.2eV),仅在387.5nm以下的紫外光区域能被激发,对太阳光的利用率较低;此外,因TiO2的光生电子和空穴复合较快,导致其量子产率很低,光催化效率差。 本文采用阳极氧化和水热两步法,成功的制备出了Bi4Ti3O12/TiO2铁电半导体异质结。研究了纳米阵列的物相、微结构、光电响应特性和光催化活性,并分析异质结的生长机理。主要内容如下: 1.采用阳极氧化法以氟化铵和水的乙二醇有机溶液作为电解液,在高纯度工业用Ti箔上制备了TiO2纳米管阵列,将TiO2样品在空气环境下450℃退火处理1个小时得到锐钛矿相TiO2。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外可见分光光度计(UV-Vis)对样品的物相、微观结构和光学性质进行表征。 2.采用水热反应的方法在TiO2纳米管阵列上制备Bi4Ti3O12/TiO2异质结结构,表征了异质结的晶体结构和表面形貌,初步分析了异质结形成的机理,并研究了不同水热时间制备出Bi4Ti3O12异质结与TiO2纳米管阵列的光电化学性能以及光催化性能。通过UV-Vis对其光学性能进行表征,结果显示与半导体材料Bi4T13O12复合可以使TiO2红移,提高可见光吸收率,PL测试结果表明异质结形成后可以减少纳米管的表面缺陷,降低了载流子的复合率。经过18h水热处理的样品其光电化学性能最佳,与光催化降解的结果一致。具体表现为:异质结经光照后光电流大小为未修饰TiO2纳米管阵列的3倍;紫外光降解速率较TiO2纳米管阵列提高了约4倍。 3.利用纳米晶体的成核与生长理论,分析了异质结的形成机理,讨论了异质结光电化学性能增强的机理,分析其原因可能是由于特殊的异质结构形成能级偏移,使吸收带边红移,而且水热生成的Bi4Ti3O12纳米颗粒具有高的比表面积和合适的结晶度,可以修复TiO2纳米管的表面缺陷,抑制载流子复合。

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