光场作用下Bi基氧化物的能带结构和交换光电流密度研究

The energy band structure decides the occurrance probability of photocatalytic reaction on different photocatalysis materials. It is an important thermodynamic parameter for estimating the photocatalytic activity, and its validity depends on exact measurement of the structure detail infromation,such as flat band potential, conduction band edge potential and valence band edge potential. However, whether the photocatalytic reaction will occur or not still requires the photocatalysts possess effective dynamic activity. As for the detective problem of energy band structure under irradiation and choice of proper dynamic parameter, here we will chose the Bi-based oxide as the experimental target system, which fabricated by a three-step method, and find the corresponding resolutions by the study of their photocatalytic performance. The study content as follow: establish the method based on tafel curve for accurately measuring the flat band potential of Bi-based oxide and judging the n or p characher of these materials under irradiation.By comparison the band structure obtained under irradiation with that in dark, find out the effect of irradiation and main circumstance conditions on the catalytic performance,which realted to band structure; propose the use of exchange photo-current density as the dynamic parameter to estimate the activity of Bi-based oxide,and ensure the relationship between exchange photo-current density and irradiation;establish the method of integrated performance estimate by both thermodynamic and dynamic parameters,and test their validity by comparison with the result from dye photodegradation experiments.

能带结构是判断光催化材料是否具有催化活性的重要热力学参数，暗场和光场作用下的精确测定是其准确评价材料催化性能的前提。与热力学相比，动力学活性则决定了材料的实际催化效率。针对光场作用下能带结构的精确测定和光催化动力学参数的确定等问题，本项目提出以三步法制备的Bi基氧化物为研究体系，且基于电化学测试技术的光催化性能考察研究。针对系列Bi基氧化物，本项目拟建立光场作用下以tafel曲线为核心的平带电位及材料n、p性质的测试方法。通过对比光场和暗场下能带结构的差异，明确光照及主要环境因素对材料能带结构的影响；提出基于交换光电流密度的光催化动力学活性评价方法，明确光照条件与交换光电流密度的关系；形成以能带结构为热力学参数和以交换光电流密度为动力学参数的综合光催化性能评价系统，与材料实际的光催化降解染料性能相比较检验其可靠性和有效性。通过以上研究为加速光催化材料的研发及应用提供技术支持。

能带结构是判断光催化材料是否具有催化活性的重要热力学参数，暗场和光场作用下的精确测定是其准确评价材料催化性能的前提。与热力学相比，动力学活性则决定了材料的实际催化效率。针对光场作用下能带结构的精确测定和光催化动力学参数确定等问题，本项目以铋基氧化物为目标研究体系，并基于tafel曲线，建立了光场作用下平带电位和材料n、p性质的检测方法，以及以交换光电流密度为动力学参数的光催化活性评价办法。项目成功制备出了ɑ-Bi2O3、β-Bi2O3、Bi2S3、BiPO4、BiOCl五种铋基氧化物薄膜电极。光电测试结果表明，上述五种铋基氧化物在光照下均为n型半导体，且光照条件下五种铋基氧化物的能带电位与其在暗场下的能带电位都不相同。其中Bi2S3能带电位在光照下产生了负移，其余四种铋氧化物的能带电位则产生了正移。从热力学角度讲，能带电位的负移能提高导带上光生电子的还原能力，但同时会降低价带光生空穴的氧化能力，而能带电位的正移则产生相反的作用。实验考察了可见光与全光谱光照条件下五种铋氧化物的交换光电流密度，结果显示全光谱下获得的交换光电流密度都不同程度的高于在可见光下获得的交换光电流密度，而五种铋氧化物薄膜的实际染料降解实验则表明全光谱条件下染料的降解速率常数也高于在可见光条件下的降解速率常数，因此光照条件下，五种铋氧化物的染料降解速率常数与其相应的交换光电流密度的变化趋势相同。上述对比结果说明以交换光电流密度为动力学参数能够准确的反映不同铋氧化物的光催化活性高低。此外，利用不同水热时间合成的Bi2S3光解H2S产氢实验中，tafel曲线的测试结果表明水热24小时获得的Bi2S3-24h样品具有比其他Bi2S3样品更低的导带电位和更高的交换光电流密度，因此与其他样品比，Bi2S3-24h具有最佳的光催化还原性能，这与实测的Bi2S3-24h光解H2S产氢性能一致。综上所述，通过本项目的研究，我们建立了基于tafel曲线并以能带结构为热力学参数和交换光电流密度为动力学参数的综合光催化性能评价方法，为加速光催化材料的研发与应用提供了更为简便和普适性的性能评价策略。