中文题名: | Bi_2Fe_4O_9/石墨烯复合材料的水热制备及光催化性能研究 |
姓名: | |
学号: | 1049721200342 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 080502 |
学科名称: | 材料学 |
学生类型: | 硕士 |
学位: | 工学硕士 |
学校: | 武汉理工大学 |
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专业: | |
研究方向: | 光电子与信息材料 |
第一导师姓名: | |
第一导师院系: | |
完成日期: | 2014-12-11 |
答辩日期: | 2014-12-11 |
中文关键词: | 石墨烯 ; Bi_2Fe_4O_9 ; 水热合成 ; 复合材料 ; 可见光催化 |
中文摘要: |
Bi_2Fe_4O_9材料由于其较窄的禁带宽度并对可见光具有一定的响应,是一种备受关注的可见光催化材料,然而其特殊的能带结构,限制了它的应用。本文将具有高导电率的石墨烯与Bi_2Fe_4O_9复合,采用一步水热法制备出Bi_2Fe_4O_9/石墨烯复合可见光催化剂,主要研究内容和结果如下: 1. 首先对适合Bi_2Fe_4O_9形成的溶剂进行了选择。由于硝酸铋在水中极易水解,不宜做为该水热反应的溶剂。本文中选择的溶剂有三种,分别为稀硝酸、乙二醇和丙酮。稀硝酸的引入,有效解决了硝酸铋的溶解问题,但大大降低了前驱体的pH值,而形成Bi_2Fe_4O_9需要较高的pH值,故需要非常高浓度的NaOH做为矿化剂才能合成Bi_2Fe_4O_9晶体。乙二醇做为溶剂,不仅解决了硝酸铋的溶解问题,也在一定程度上降低了矿化剂NaOH的使用浓度。丙酮做为溶剂,更进一步降低了矿化剂NaOH的最低使用浓度(5 M),最有利于后面复合材料的生成。 2. 利用水热法,以硝酸铁、硝酸铋和氧化石墨烯为原料,以12 M的NaOH溶液为矿化剂,在180 ℃下水热处理3 d一步合成了微米片状Bi_2Fe_4O_9/石墨烯复合材料。同时,氧化石墨烯在碱性水热条件下被还原为了石墨烯。氧化石墨烯的添加量对产物的物相影响并不大,氧化石墨烯较大的表面能能够诱导Bi_2Fe_4O_9形成更多的晶核,从而抑制其长大,使Bi_2Fe_4O_9微米片的尺寸较小。但当氧化石墨烯的加入量超过5 wt%时,产物在石墨烯片层的作用下发生了一定程度的团聚。 3. 经过研究不同矿化剂浓度、水热反应温度和水热反应时间得到的复合材料的物相和形貌,解释了Bi_2Fe_4O_9微米片形成过程。Bi_2Fe_4O_9生长过程遵循“溶解-形核-结晶”的生长模式:首先,前驱物Fe(OH)_3和Bi(OH)_3溶解;然后在石墨烯的静电吸引力作用下,离子团在石墨烯表面形核;最后结晶生长,生成微米片Bi_2Fe_4O_9。 4. 石墨烯含量对复合材料可见光催化活性影响较为明显。随着石墨烯含量的增加,光催化活性呈现先增强后下降的趋势。添加量为5.0 wt%的复合材料的可见光催化降解活性最高,可见光催化降解反应速率为单一相的Bi_2Fe_4O_9粉末的13.6倍,3 h对甲基紫的降解率达到95%。并且该复合材料的光学带隙从2.0 eV减小至1.68 eV。电化学阻抗研究表明复合材料的电荷转移电阻明显小于单一相的Bi_2Fe_4O_9材料,说明石墨烯的存在明显增强了复合材料中电子-空穴对的分离速率;光致发光光谱显示Bi_2Fe_4O_9/石墨烯复合材料在465 nm处发射峰峰强更低,说明复合材料中光生电子-空穴对的复合率降低。这说明石墨烯这种优良电子载体的引入,使光生电子迅速转移至石墨烯表面,阻止了光生电子-空穴对的重组,这是复合材料光催化反应活性提高的主要原因。 |
中图分类号: | TB332 |
馆藏号: | TB332/0342/2015 |
备注: | 403-西院分馆博硕论文库;203-余家头分馆博硕论文库 |