铁酸铋（BFO）纳米颗粒的制备及其光催化分解水制氢体系的构建

Hydrogen generation from direct water splitting by solar-driven photocatalysts is promising for renewable energy utilizations. Bismuth iron oxide (BFO) is a new photocatalytic material, which can potentially be used to split water to generate hydrogen under visible light due to its relatively narrow band gap. In the present project, the BFO nanoparticles will be synthesized by various physical and chemical processing methods. XRD, TEM, SEM, XPS, FESEM, AFM, TG-DSC-MS as well as photocatalytic measurements will be employed to characterize the as-prepared BFO nanoparticles. Based on the deep analysis of the experimental results the controlling step of the hydrogen generation process through photocatalytic water splitting by BFO nanoparticles will be identified. The effects of ferromagnetic domains and surface structure of the BFO nanoparticles on photocatalytic activity will be explored and thus the hydrogen generation dynamics through photocatalytic water splitting by BFO nanoparticles can be proposed. It is anticipated that through this study it could provide some theoretical support in future design of high efficiency photocatalytic devices for hydrogen generation.

利用太阳光通过光催化剂直接分解水来制取氢气是一种有前景的可再生能源利用途径。铁酸铋是一种新型光催化材料，较窄的能带宽度使利用可见光来分解水制取氢气成为可能。本课题以铁酸铋纳米颗粒光催化分解水制氢体系为研究对象，采用多种物理和化学的合成工艺来制备铁酸铋纳米颗粒，结合多种表征手段如XRD，TEM，SEM，XPS，FESEM,AFM等结构分析，TG-DSC-MS 热分析以及光催化性能表征，深入研究基于铁酸铋纳米颗粒的光催化分解水产氢过程控制机理；探讨铁酸铋纳米颗粒中存在的铁电畴和颗粒表面结构对光催化活性的影响；揭示铁酸铋材料光催化分解水产氢动力学过程中的规律，以期对将来开发实用化的高效光催化分解水制氢装置提供理论支撑和设计依据。

近年来，设计开发新型高效的可见光响应型半导体光催化剂是光催化领域的研究热点。铁酸铋（BiFeO3, 简写为BFO）具有合适的能带带隙、良好的可见光响应性质和光电特性以及化学稳定性，表现出较好的可见光光催化活性，被认为是一种具有潜在应用前景的可见光光催化剂。然而，BFO本身的载流子迁移率低、光生电荷容易复合，导致光量子利用率低等问题，严重制约其在光催化领域的实用性。针对BFO的这些问题，本项目开展了一系列研究工作，主要涉及：（1）不同制备工艺条件对合成铁酸铋的物相、形貌和可见光催化性能的影响；（2）BFO颗粒的掺杂改性及其光催化性能研究；（3）助催化剂负载BFO颗粒的制备及其光催化性能研究；（4）表面缺陷（氧空位）对BFO颗粒结构、光催化性能的影响研究；（5）BFO薄膜光电极的制备、改性及其光电化学性能研究。研究发现，采用溶胶凝胶法、水热法或微波水热法等合成工艺均能制备获得纯相BFO颗粒，不同工艺条件下制备的BFO具有不同的结构形貌，但普遍表现出较差的光催化性能；采用金属离子（比如：Ga3+, Zr4+, Sm3+）掺杂、助催化剂（比如：贵金属Pt, Pd等）负载、构建p-n异质结结构（比如：CuO/BFO）以及氢化处理等不同改性手段对BFO改性，分别能够在较大程度上改善BFO的光催化活性，尤其是将两种不同改性手段相结合（比如：Sm3+掺杂和Pd负载）可以实现二者的协同作用更好地提高BFO光催化活性，并探究了不同改性手段改善BFO光催化性能的内在机理；采用溶胶凝胶旋涂法可以制备获得纯相BFO薄膜光电极，煅烧温度对薄膜光电极的光电化学性能有较大影响，通过光致还原负载Au和Nd掺杂或者表面电沉积Co-Pi助催化剂层能够进一步提高BFO薄膜光电极的光电化学性能，同样也探究了相应的光电化学反应机理。本项目深入系统地研究了BFO颗粒/薄膜的制备、改性和光催化性能及其反应机理，为设计开发铁酸铋新型可见光催化剂及其应用提供了重要的科学依据和理论支撑。