铋系复合氧化物多级异质结构的结构基础、内建电场调控及共振增强可见光催化活性研究

This project pays attentions to construction of BiMO4/A/ZnFe2O4 heterojunction in order to resolve the environmental problems induced by phenolic compounds. By modulating the heterojunction style, morphology, particle size and microstructure, the adsorption, mass transfer ability and photocatalytic activity of the heterojunciton photocatalysts can be highly enhanced. By doping with metal or non-metal ions into BiMO4 and ZnFe2O4 host lattice, the band structure of BiMO4 and ZnFe2O4 can be modulated electronic structure to match the band edge between BiMO4 and ZnFe2O4. This can also control the inner electric field and optimize the visible light absorption, charge separation efficiency and photocatalytic activity. Then a series of noble metal nanoparticles load on the BiMO4/ZnFe2O4 heterojunctions to establish BiMO4/A/ZnFe2O4 heterojunctions. Therefore, the visible light absorption and space charge separation efficiency can be expanded by surface plasmon resonance effect. Simutaneously, the ultilizing theoretical simulation and characterization, we systematically investigate the influence of doping effects, hierarchical construction on the modulation of band gap energies, band edge, adsorption properties, interface charge transfer process, surface active sites and photocatalytic performance. Finally, the underlying photocatalytic mechanism of BiMO4/A/ZnFe2O4 heterojunctions can be exposed. This projuect will develop a new type of noble metal loaded heterojunction photocatalyst and provide theoretical and technical support for the application of heterojunction materials in photocatalytic materials and environmental purification.

本项目着眼于内蒙古自治区的资源与产业现状，设计合成BiMO4/A/ZnFe2O4多级结构磁性纳米催化剂用于苯酚废水的深度处理。制备BiMO4/ZnFe2O4异质结构催化剂，调控BiMO4和ZnFe2O4的异质结构类型、形貌、尺寸和晶体微观结构，改善催化剂的吸附特性，提高传质能力和光催化活性；通过掺杂等手段分别对BiMO4和ZnFe2O4改性修饰，实现对其能带结构的加工，调控内建电场、禁带宽度及能带位置，优化异质结构催化剂的可见光吸收，提高光生电荷分离效率，调节催化剂活性；之后以纳米贵金属负载在BiMO4/ZnFe2O4异质结构催化剂上，进一步拓宽光激发响应范围，改善光生电荷空间分离效率。深入分析催化剂的吸附特性，界面电荷迁移规律、表面活性位点及光生电荷的产生、分离效率等内容；揭示BiMO4/A/ZnFe2O4微观结构变化规律，共振增强效应和光催化作用机理，以便获得新型高效可见光催化剂。

针对内蒙古自治区产业现状，采用光催化理论模拟结合的手段，探寻系列多级结构催化剂并应用于环境污染修复和能源转换领域。结果表明：(1)一步合成硼掺杂钒酸铋催化剂，实验和理论结果表明硼掺杂降低了BiVO4光生电荷复合几率，硼掺杂使BiVO4的抗菌活性由惰性转变为高活性，在60 min致使1x106 CFU/mL大肠杆菌完全灭活。(2)得到了不同晶相结构的BiVO4，系统研究了其微观结构、形貌以及比表面积的变化和光解水产氧性能。(3)结合光沉积法制备了不同Ag含量的XAg/BiVO4催化剂，发现其在对硝基苯酚的还原表现出较高的活性和稳定性，提出了其催化还原机理，并通过理论计进一步证明。以Ag、Au作为电子传递中间体来调控g-C3N4与BiVO4复合相界面电荷转移方式，设计合成Au(Ag)/g-C3N4/BiVO4三相Z型异质结催化剂，提高了光生载流子的分离与转移速率，并且增强复合半导体的氧化还原能力。结合贵金属Ag、Au纳米颗粒的SPR效应，显著提高可见光下分解水产氢的性能。(4)设计合成了一系列Bi2Sn2O7光催化剂，通过调控锡的电荷价态对其缺陷化学和电子结构进行了调控，提高了光催化选择性氧化苯甲醇性能。氧缺陷（OVs），有助于促进催化剂表面对氧分子的吸附和活化。同时，氧缺陷含量较高的Bi2Sn2O7的价带边呈现明显的下降趋势，因此提高了催化剂的光催化氧化的热力学驱动力。(5)设计合成了直接Z-型SnO2/Bi2Sn2O7异质结光催化剂，旨在通过促进光催化剂中光生电子和空穴的分离，改善Bi2Sn2O7的光催化活性。该异质结具有较优异的光催化降解抗生素活性，主要源于空间上光生载流子的有效分离以及快速的电荷转移。.本项目的实施开发出一系列宽光谱响应范围的多级结构光催化材料，其各项性能均有明显提升，为该类催化材料在能源转化和环境净化方面的综合利用提供可能。因此本项目的实施无论在理论研究还是在潜在应用方面都有重要意义。