稀土摻雜BiFeO3納米顆粒的制備及可見(jiàn)光催化性質(zhì)研究.pdf

1、菱方結(jié)構(gòu)BiFeO3是一種在室溫下同時(shí)具有電有序和磁有序的多鐵材料，室溫下呈鐵電有序(居里溫度約為850℃)和反鐵磁有序(尼爾溫度約為370℃)。BiFeO3材料除了在信息存儲(chǔ)、集成電路、磁傳感器以及自旋電子器件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景外，由于具有較小的能帶帶隙，納米結(jié)構(gòu)的BiFeO3材料還能作為可見(jiàn)光催化劑，被用于對(duì)有機(jī)污染物的降解以及分解水制氫等領(lǐng)域。：雖然BiFeO3材料已被發(fā)現(xiàn)具有可見(jiàn)光催化活性，但研究工作尚少，缺乏全面的了解。

2、此外在稀土元素?fù)诫sBiFeO3外延薄膜的研究工作中，人們發(fā)現(xiàn)在菱方相向正交相轉(zhuǎn)變區(qū)域(準(zhǔn)同型相界)處薄膜的介電和壓電系數(shù)會(huì)有明顯的增強(qiáng)。而稀土摻雜下BiFeO3納米顆粒是否也會(huì)出現(xiàn)菱方相向正交相轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)同型相界?若出現(xiàn)，在準(zhǔn)同型相界處其光催化性能是否會(huì)像介電和壓電性質(zhì)一樣具有增強(qiáng)效應(yīng)?
　　 本文采用溶膠凝膠法制備了純相的BiFeO3納米顆粒、具有氧化鐵混合相的BiFeO3納米顆粒以及稀土離子(Gd3+，Nd3+，Eu3+，Dy

3、3+)摻雜的BiFeO3納米顆粒。采用X射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)等對(duì)樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，詳細(xì)研究了樣品的光吸收能力及可見(jiàn)光催化性能，重點(diǎn)研究了通過(guò)不同方法實(shí)現(xiàn)BiFeO3納米顆粒可見(jiàn)光催化活性的提高。得出的主要結(jié)果如下：
　　 1、采用溶膠凝膠法制備的純相BiFeO3納米顆粒，證實(shí)了BiFeO3納米顆粒確實(shí)具有可見(jiàn)光催化性能，但光催化活性不高，15小時(shí)僅降解了25％左右的羅丹明B。詳細(xì)研究了不同pH值對(duì)光催化活性的

4、影響，發(fā)現(xiàn)BiFeO3納米顆粒在pH=2時(shí)光催化降解羅丹明B效果最好，這主要與催化劑和染料的帶電性及吸附作用有關(guān)，說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)整有機(jī)物溶液的pH值有效地提高光催化活性。然而pH值過(guò)低也會(huì)影響到BiFeO3的晶體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了新的雜相，從而降低了光催化活性。隨后我們研究了膠體蒸干溫度對(duì)BiFeO3納米顆粒相結(jié)構(gòu)組成的影響，發(fā)現(xiàn)隨著蒸干溫度的增加，納米顆粒將逐漸出現(xiàn)γ-Fe2O3相。而當(dāng)BiFeO3和γ-Fe2O3兩相含量達(dá)到合適比例時(shí)，混

5、合相納米顆粒的可見(jiàn)光催化活性要明顯優(yōu)于純相BiFeO3納米顆粒，這主要是由BiFeO3與γ-Fe2O3構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)所導(dǎo)致的。此外通過(guò)加入少量H2O2，由于類(lèi)光芬頓效應(yīng)的作用，混合相BiFeO3納米顆粒的可見(jiàn)光催化活性有了進(jìn)一步的提高。
　　 2、詳細(xì)研究了Gd3+元素?fù)诫sBiFeO3納米顆粒的相結(jié)構(gòu)和光催化性能。通過(guò)Rietveld方法精修Gd3+元素?fù)诫sBiFeO3納米顆粒的XRD圖譜，發(fā)現(xiàn)隨著Gd3+摻雜濃度的增加，相結(jié)構(gòu)一

6、開(kāi)始保持菱方相結(jié)構(gòu)，但到10％時(shí)，正交相出現(xiàn)，摻雜濃度繼續(xù)增加，正交相成分增加，而菱方相減少。10％Gd3+摻雜濃度對(duì)應(yīng)于菱方相向正交相轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)同型相界的出現(xiàn)。我們同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著Gd3+摻雜濃度的增加，BiFeO3納米顆粒光催化活性也逐步提高，當(dāng)Gd3+摻雜濃度是10％時(shí)，光催化活性達(dá)到最高。通過(guò)XRD圖譜、拉曼譜和光吸收譜的分析，提出稀土摻雜引起的BiFeO3晶體結(jié)構(gòu)的變化影響了其光催化性能。這部分工作已正式發(fā)表在Journal of

7、Physical Chemistry C上。
　　 3、進(jìn)一步制備了其它稀土離子Nd3+、Eu3+和Dy3+摻雜BiFeO3納米顆粒，研究了不同組分的稀土元素?fù)诫s對(duì)BiFeO3晶體結(jié)構(gòu)和光催化活性的影響。通過(guò)Rietveld方法精修其相結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明隨著稀土元素?fù)诫s量到一定量時(shí)，每種稀土摻雜均發(fā)現(xiàn)存在菱方相和正交相共存的準(zhǔn)同型相界。不同的稀土元素?fù)诫s，相界出現(xiàn)處其所含濃度并不相同，這主要是與稀土元素的離子半徑有關(guān)；通過(guò)光催化活性