铋系半导体材料的光催化性能研究进展

光催化技术因其高效、绿色的优点,成为解决环境问题和能源危机的有效技术。研制性能优良的光催化剂是应用和发展光催化技术的研究核心之一。Bi系半导体光催化剂因其在可见光下具有良好的光催化性能而引起人们广泛的关注。为此,分类列举了几种常见的铋系光催化剂及其制备,综述了在光能利用率等方面通过掺杂改性取得的重大成果,并简要介绍了含高价铋的光催化剂的制备及其光催化性能。通过类比分析,从基础理论和实际应用方面提出了相关问题和展望。     

化学镀Pd膜的结构及其对Nb-Ti-Ni体系氢分离膜的氢渗透催化研究

采用碱性化学镀在Nb-Ti-Ni合金膜片表面和载玻片上沉积了Pd膜,利用X射线衍射(XRD),能谱(EDS)、扫描电子显微镜(SEM),示差扫描量热仪(DSC)等手段对Pd沉积膜的相结构、成分、形貌及热稳定性进行了分析。结果表明,制备的Pd沉积膜为非晶态结构,膜层呈现球状颗粒密排沉积形态,颗粒尺寸在1μm左右,膜中的P含量在3%～4%(质量分数,下同)。膜的热稳定性研究表明,在经675K热处理后,膜层仍保持其初始的颗粒密排沉积特征,随着温度的升高,颗粒尺寸有轻微增大的趋势,出现Pd相和Pd6P相。电化学测试结果表明,制备的非晶态Pd膜可显著提高合金膜片的氢渗透电流密度,相应的氢扩散系数增大,而非晶膜层经热处理后,其氢扩散系数有较明显的降低。     

Ce-Mg合金体系弹性性质与电子结构的第一性原理研究

为了探讨Ce-Mg体系金属间化合物的力学性质与其晶体结构相联系的微观机制,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究了3种立方Ce-Mg体系金属间化合物CeMg、CeMg2和CeMg3的电子结构和弹性性质。计算结果表明,CeMg3有最高的体模量和剪切模量,分别为41.1GPa和30.7GPa,CeMg2的体模量和剪切模量则在3种金属间化合物中最低,分别为35.1GPa和14.0GPa。CeMg、CeMg2和CeMg3均满足立方晶系力学稳定性要求,CeMg3与CeMg为脆性材料,而CeMg2为延性材料。各向异性性质分析表明,CeMg具有很高的弹性各向异性,而CeMg2的体模量、剪切模量以及杨氏模量尽管最低,但其显示出良好的各向同性性能。计算CO-HP及电荷密度分布揭示了Ce-Mg合金体系弹性性质的变化与体系中化学成键差异密切相关,晶体中Mg-Mg键较强的材料比晶体中Ce-Mg键较强的材料有着更好的延展性。     

球形Bi_2WO_6光催化剂的合成与性能

以Bi(NO)3·5H2O、Na2WO4·2H2O为原料,采用水热合成法成功制备出纳米片组成的球形Bi2WO6,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见漫反射(UV-Vis)技术对其进行分析表征,研究水热温度和反应时间对催化剂合成的影响。通过在紫外及可见光(λ420 nm)照射下,降解罗丹明B(RhB、5 mg/L)溶液来评估其光催化活性,并且考察了催化剂投加量、RhB的初始浓度、光源对罗丹明B降解率的影响。结果表明,在180℃水热7 h为最佳制备工艺;催化剂的投加量为2 g/L时,以紫外光为光源,照射120 min对RhB的降解率可达到99.8%。     

水热合成Ag离子改性修饰Bi_2WO_6及其光催化性能

通过水热法以固体AgNO3为Ag离子来源,成功制备出系列Ag离子改性修饰Bi2WO6复合光催化剂,并采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、能谱仪(EDS)和紫外-可见漫反射光谱(DRS)技术对其进行分析表征。研究表明,Ag离子可能取代Bi2WO6中的Bi 3+离子进入晶格,从而调节了禁带宽度。另一方面,纯Bi2WO6与Ag离子改性修饰Bi2WO6样品均为由纳米片自组装而成的球形结构,直径约为2~6μm。与纯Bi2WO6相比,Ag离子改性修饰Bi2WO6样品的结晶度较高且纳米片的排列也更致密,其光催化活性明显提高。在本文中形貌和能隙的优化是光催化性能提升的主要原因。当AgNO3的投加量为10%(摩尔分数)时,罗丹明B的降解率提高了近42%。     

Sb掺杂LiBiO3电子结构的第一性原理计算

通过能带结构、电子态密度、电子局域化函数、Bader电荷等方面的密度泛函理论(DFT)第一性原理计算,对掺杂了Sb的LiBiO3的电子结构进行研究,试图从理论角度探寻合适的光催化材料。计算结果表明,空间群为Pccn的正交LiBiO3为直接半导体,DFT计算带隙为0.23eV,而采用HSE泛函形式的计算带隙为1.18eV,较为接近实验测定值。随着Sb掺杂量的增加,LiBi1-xSbxO3的计算带隙逐渐加大,与纯LiBiO3相比,Sb掺杂体系中出现了具有更强键合作用的Sb-O键,有利于改善体系的光催化性能。     

Mo掺杂调控钛酸铋钠铁电陶瓷带隙的实验与第一性原理研究

为改善钛酸铋钠基无铅陶瓷的铁电光伏特性,通过传统固相法制备了B位Mo掺杂的Na_0.5Bi_0.5(Ti_1-xMo_x)O₃(BNT-Mo_x,x=0~0.02)无铅铁电陶瓷。通过XRD、拉曼光谱、吸收光谱等测试方法,结合基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Mo掺杂对BNT陶瓷体系带隙的影响规律及机理。结果表明:随着Mo掺杂量的增加,光学带隙值先减小后增大,当x=1.0%时带隙达到最小值2.33 eV,并且光吸收强度达到最大值69%;通过对能带和态密度计算结果进行分析,发现Mo掺杂BNT体系能带结构由间接带隙转变为直接带隙,出现由Mo的4d轨道所贡献的杂质能级,导致带隙减小。Mo掺杂导致的杂质能级与莫斯-布尔斯坦效应之间存在带隙调控相互竞争关系,可有效调控BNT体系能带结构。     

Nb-Ni-Ti体系氢分离合金膜的结构和渗氢性能研究

开展了Nb-Ni-Ti体系氢分离合金膜的结构和渗氢性能研究。采用XRD、SEM分析膜片的相结构和组织特征,利用Devanathan-Stachurski双电解池法测定膜片的氢扩散系数,考察膜片厚度、成分和结构组织对其氢扩散系数的影响。实验结果表明:氢分离膜的氢扩散系数均随膜片厚度的增加而增大。制备的Nb-Ni-Ti体系合金膜都具有两相结构,即先析出相(bcc-Nb(Ni,Ti)固溶体)和共晶相(bcc-Nb(Ni,Ti)+β2-NiTi),个别成分点有少量的第三相NiTi2生成。膜片成分和组织结构对氢扩散系数影响显著,当合金中先析出固溶体相比例增加时,合金中的氢扩散系数也随着增大,而Ni,Ti含量的变化引起共晶相变化,NiTi相及NiTi2相都不同程度增加了共晶相的相比例而引起氢扩散系数的降低,但同时在结构上改善了合金在吸氢膨胀过程中发生的氢脆现象。氢在Nb-Ni-Ti体系氢分离膜中的扩散系数在10-9数量级范围。