掺镧BiFeO3复合物的制备及可见光催化性能研究

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近年来,铋系半导体作为一种新型光催化材料,因其在可见光照射下对难降解有机物具有良好的催化作用以及在反应过程中具有较高的稳定性,而受到越来越多的关注。BiFeO3是种新型的铁磁材料,具有相当小禁带宽度(2.2eV左右),对紫外一可见光有较高的吸收以及良好的化学稳定性,可用在光催化处理有机废水的过程中,并且由于BiFeO3的弱铁磁性,使得样品回收率达到80%以上,能很好的进行重复使用。但是,BiFeO3对废水的光催化降解率相对较低,且关于BFO光催化研究还很少。所以,对如何提高BiFeO3的可见光光催化活性的研究,有重要意义。论文采用溶胶-凝胶法,以柠檬酸为络合剂制备了铁酸铋复合物,并通过掺杂镧元素合成了掺La-BiFeO3复合物,分别用XRD、UV-VIS、FS、XPS、TG—DSC、FT-IR对其结构进行了表征;以亚甲基蓝为目标化合物对其可见光催化活性进行了评价。(一)以硝酸铋、硝酸铁、硝酸镧、柠檬酸、聚乙二醇为原料,用溶胶-凝胶法制备出了掺La的BiFeO3—Bi203复合物,该复合物粉体具有较高的活性,而掺杂La后的样品活性进一步得到提升。以亚甲基蓝为目标化合物,考察了BiFeO3复合物在不同煅烧温度,掺杂量等工艺条件下光催化活性,结果表明,在掺镧15%,煅烧温度为500°C的条件下,La-BFO复合物结晶性能较好且光催化活性最高,能够在可见光照射3h后,降解率达到91.87%,并在5h达到99.2%。对亚甲基蓝的的光催化降解实验表明,其降解符合动力学一级方程。(二)从XRD表征测试中可以看出,通过溶胶-凝胶法制备出了掺镧BiFeO3铋系复合物,而XRD图谱中没有出现掺杂镧元素的物相特征峰,说明掺杂La的量较少;而观察掺杂镧15%BiFeO3复合物的XPS全谱图,发现在834.2和837.8eV出现了La3d5/2峰,在851.3和855.4出现了La3d3/2峰,说明部分La已进入到BFO的晶格,也证实了催化剂中La-0键的存在。通过观察Bi、0、Fe的高分辨光谱扫描图,对比XPS谱图数据库,表明Bi、Fe均为+3价,也进一步证实了该样品是由BiFeO3和Bi203组成;利用紫外可见光光谱可以发现,掺杂La后的样品,响应范围向更长波长区域移动,掺杂La后的禁带宽度要低于未掺杂样品,说明La掺杂可以降低BiFeO3复合物的禁带宽度,增大光谱响应范围,从而提高了可见光的利用率。通过比照不同煅烧温度、掺杂量下的BFO复合物的荧光光谱图,也能进一步证实不同煅烧温度、掺杂量对BFO复合物光催化活性的影响。从TG-DSC图中可以发现,BFO复合物在104°C之前较稳定,随着温度的不断升高,在500°C时BiFeO3复合物失重率约为60%,而在掺杂镧元素后,随着温度的升高,质量损失为53%,失重率略有降低。
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