过渡金属离子掺杂对铌酸铋能带结构和可见光催化性能的影响

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1、硕士学位论文过渡金属离子掺杂对铌酸铋能带结构和可见光催化性能的影响作者姓名易可学科专业凝聚态物理指导教师邓文基教授张弜副教授学院物理与光电学院论文提交日期2018年4月EffectsofDopedtransitionmetalIonsonBandStructureandVisibleLightPhotocatalyticPerformanceofBiNbO4ADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YiKeSupervisor：Prof.Den

2、gwenjiandZhangJiangSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：学校代号：10561学号：201520122290华南理工大学硕士学位论文过渡金属离子掺杂对铌酸铋能带结构和可见光催化性能的影响作者姓名：易可指导教师姓名、职称：邓文基教授；张弜副教授申请学位级别：硕士学科专业名称：凝聚态物理研究方向：功能材料论文提交日期：2018年4月12日论文答辩日期：2018年5月31日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成

3、员：主席：苏成悦委员：傅秀军、陈熹、李锋、侯志摘要近年来，非TiO2基的金属氧化物半导体可见光催化剂是材料研究的热点之一，其中铋系氧化物半导体材料被认为是具有发展潜力的更稳定更有效的可见光催化剂。BiNbO4为铋系氧化物光催化剂的一员，在紫外区域的光催化活性优于TiO2，但面临着4+带隙偏大、量子产率低等问题。本文利用掺杂过渡金属元素手段，系统地研究了Ti、3+2+Fe、Ni分别掺杂对BiNbO4光学带隙、能带结构与可见光催化活性的影响，具体研究结果及分析如下：1.利用固相反应法成功合成BiNb1-xTi

4、xO4、BiNb1-xFexO4、BiNb1-xNixO4三个系列样品。2.Ti离子掺杂系列BiNb1-xTixO4样品与母相BiNbO4的正交晶体结构保持一致，样4+品颗粒的微观形貌及粒径大小没有发生改变。低价的Ti掺入没有引起其他元素的价态变化，但是氧空位浓度增加。随着Ti离子掺杂浓度增加，光学带隙减小，可能是因为Ti3d轨道与原来的导带混合，使导带位置降低。Ti离子掺杂样品的可见光催化活性明显增强，这可能是因为具有合适的光学带隙并保持了良好的氧化还原能力,且表面氧空位促进光生载流子分离。3.Fe离子

5、掺杂系列BiNb1-xFexO4样品的晶体结构保持正交相不变，颗粒的平均粒径没有太大变化，但是比表面积急剧减小，但是随着Fe离子掺杂量增加，比表面积有增加的趋势。Fe离子的引入大大地减小了半导体材料的光学带隙，扩大了可见光吸收范围，这可能是因为Fe3d轨道能级分裂分别参与导带与价带的构成。但是Fe离子掺杂的可见光催化性能甚至不及纯相BiNbO4，这可能是因为比表面太小、氧化还原能力较弱以及形成了新的光生载流子复合中心。4.Ni离子掺杂系列BiNb1-xNixO4样品同样保持晶体结构与颗粒平均粒径不变，但比

6、表面积减小。光学带隙随Ni离子掺杂而减小，在价带与导带之间出现了一条由氧空位引起的新能带，可能会成为光生电子-空穴对的复合中心，妨碍光生载流子的迁移过程。因此即使样品具有合适的光学带隙，但是可见光催化性能只是略强于纯相样品。关键词：BiNbO4；掺杂；能带结构；可见光催化IABSTRACTInrecentyears,non-TiO2basedmetaloxidesemiconductorhavebeenoneofthehotspotsinthevisible-lightphotocatalystsfiel

7、ds.Amongthem,thebismuthoxidesemiconductormaterialsareconsideredasakindofpotentialvisiblelightcatalystsbecauseofchemicalstabilityandhighefficiency.BiNbO4,amemberofthebismuthoxidephotocatalystsfamily,exhibitsbetterphotocatalyticactivitythanTiO2underultravio

8、letradiation,butitfacesproblemssuchaslargebandgapandlowquantumyield.Inthispaper,Wehave4+systematicallystudiedtheeffectsofdopingthreedifferenttransitionmetalelements(Ti、3+2+Fe、Ni)ontheopticalbandgap,energystructurean