硅酸铋光催化剂在光子晶体中具有较高的捕光效率外文翻译资料

 2023-01-02 18:34:09

硅酸铋光催化剂在光子晶体中具有较高的捕光效率

摘要：本文通过旋涂技术，实现硅酸铋（Bi2SiO5和Bi12SiO20，BSO）薄膜在SiO2光子晶体（SPC）上均匀生长。在紫外照射下，制备的BSO-SPC对罗丹明B（RhB）的光催化分解效果优于普通BSO膜。BSO光催化活性的提高可以归因于SPC的光捕获效率的提高。结果表明，SPC的光子局域化对增强BSO的光吸收有重要作用。本文研究了SiO2的粒径、SPC和BSO膜的厚度对SPC光子局域化的影响。这项工作为提高光催化剂的捕光效率和扩展光子晶体的应用提供了一种简单的方法。此外，固定化BSO-SPC光催化剂的回收再利用使其更适合实际应用。

关键词：硅酸铋； 光子晶体； 光子局域化； 光催化剂

1.介绍

作为一类重要的无机功能材料，在硅酸铋（BSO）体系中发现了三种化学成分不同的化合物：Bi4Si3O12（2:3），Bi2SiO5（1:1）和Bi12SiO20（6:1）[1]。最近，研究人员发现Bi2SiO5（B2）和Bi12SiO20（B12）因其独特的晶体结构而具有光催化性能[2, 3]。B2是铋基奥里维里斯相氧化物半导体中的一种重要的化合物，属于正交晶系，其空间群为Cmc21。它的结构是由在[Bi2O2]2 层之间插入的辉石型[SiO3]2-层的交互生长建立的[4, 5]。SiO4的这种扭曲的四面体结构可能促进光生电子-空穴对的分离。Chen等人通过无模板剂水热法成功地合成了B2纳米片，并证明它们在紫外光下具有光催化活性[2]。B12属于具有体心立方晶体结构（空间群I23）的亚硅酸盐化合物族。在B12结构中，SiO4四面体同时存在于角和立方中心，并且每个Bi原子都被7个O原子包围，形成扭曲的多面体[BiO7][6]。此外他还通过化学溶液分解技术制备了B12的光催化剂，制备所得粉体的光催化活性归因于其晶格中固有的氧空位缺陷和价带的广泛分布[3]。

然而，BSO的实际应用仍然受到量子效率低、表面积低和光捕获效率低的限制。为了提高BSO的光催化性能，已分别使用化学修饰和形态修饰来增强光生电子-空穴对的分离[7-9]和增加BSO的表面积[10-12]。 但是，关于如何提高BSO的光捕获效率的报道仍然很少。

自1987年光子晶体（PC）的概念提出以来，其便作为一种具有周期性电解质结构的材料引起了人们的广泛兴趣[13, 14]。近来，一些研究表明，PC的慢光子、多重散射和光子局域化通过改善光吸收对光催化材料具有显着影响。一些具有反蛋白石（一种PC）结构的光催化剂经由模板法成功制得，并有效地提高了其光催化性能[15-17]。反蛋白石光催化剂的有序多孔结构不仅可以增加有机污染物分子与光催化剂之间的接触面积，而且可以通过慢光子和多重散射来提高光捕获效率。通过模板法制备反蛋白石光催化剂包括三个步骤。首先，以聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或其他有机材料为原料来制备蛋白石模板，然后将光催化剂的前驱体渗透入该蛋白石模板中。最后，通过煅烧除去蛋白石模板。该方法太复杂并且在煅烧过程中容易破坏有序的多孔结构。同时，这些有机反蛋白石材料在制备和去除的过程中更可能造成环境污染。另一方面，反蛋白石光催化剂通常以粉末形式存在，这使得难以将它们与反应悬浮液分离。反应体系中的光催化剂残留物还可能会造成二次污染。

蛋白石（另一种PC）很容易通过自组装的方法制备得到，并固定在底物上，这使得在其表面上组成光催化材料成为可能，并克服了反蛋白石光催化剂的缺点。这种蛋白石结构通常是通过使用SiO2胶体球制备的，SiO2胶体球是常见的无机材料，其不仅可以避免污染环境，而且具有较高的强度，可用作光催化剂的载体模板。而且SiO2胶体球的制备方法非常成熟，这有利于研究光子带隙对光催化剂的影响。一些研究证明，光催化剂和蛋白石的结合可以有效地提高其光催化性能[18, 19]。然而，蛋白石增强光催化的机理尚待研究。

本文通过将B2膜或B12膜旋涂在SiO2光子晶体（SPC）上分别制备了Bi2SiO5-SiO2光子晶体膜（B2-SPC）和Bi12SiO20-SiO2光子晶体膜（B12-SPC），并对它们的光催化性能进行了测试。为了探讨SPC提高光催化性能的机理，分别讨论了SiO2的粒径、SPC和BSO膜的厚度对复合膜光催化性能的影响。并研究了RhB的降解途径。

2.材料和方法

2.1 SiO2光子晶体的合成

通过用斯托伯法加入3 mL，5 mL和7 mL氨水，分别制备粒径为180 nm，215 nm和230 nm的单分散的SiO2球。典型过程如下：将2.5 mL四乙氧基硅烷（TEOS, AR, Hong Yan）添加到25 mL乙醇（C2H5OH, AR, Tian Li）中得到溶液A。将不同量的氨水（AR, Tian Li）和5 mL去离子水添加到25 mL乙醇中得到溶液B。搅拌0.5 h后，将溶液B均匀缓慢滴入溶液A中。在强磁力搅拌下反应22 h以完成反应。收集具有不同粒径的单分散的SiO2球，并用乙醇和蒸馏水反复洗涤。

通过垂直沉积法制备了具有不同厚度和不同粒径的胶体球的SPC模板。首先，将干净的载玻片垂直放置在一个含30 mL不同浓度（0.1％，0.5％和1.0％）SiO2悬浮液的小瓶中。然后，将小瓶在40℃下保温24小时。随着乙醇的蒸发，SiO2球沉积在载玻片上形成SPC模板。

2.2 BSO-SiO2光子晶体膜的合成

BSO-SPC是通过将BSO溶胶旋涂到SPC上并煅烧复合膜而获得的。将BSO膜旋涂成直径为3 cm的圆形，通过旋涂时间控制膜的厚度。B2溶胶和B12溶胶分别通过先前论文所报道的Pechini溶胶-凝胶法制备[20, 21]。B2-SPC和B12-SPC分别通过在650℃下煅烧1 h和630℃下煅烧5 h来制备。

为了进行对比，将BSO溶胶直接旋涂到载玻片上并用重复相同步骤煅烧该膜，以制备具有不同厚度的BSO膜。

2.3样品表征

BSO的结晶相通过X射线衍射（XRD, D / max-2200PC, Rigaku, Japan）测定。用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM, S4800, Japan）观察样品的形态。使用紫外/可见/近红外分光光度计（Agilent Cary 5000）分析SPC模板的透射光谱。

2.4光降解性能测试

使用500 W汞灯作为紫外光光源降解RhB来评估BSO-SPC和BSO膜的光催化活性。为了避免溶液过热，使用了带有熔融石英窗口的滤水器。将膜垂直保持在装有100 mL RhB溶液（5 mg L-1）的石英烧杯中。然后，将溶液在黑暗中放置30分钟，以确保建立吸附-脱附平衡。然后，将该溶液暴露于灯照射下。在给定的时间间隔，收集3 mL RhB溶液，使用紫外可见分光光度计（Unico UV-2600）记录其紫外可见分光光谱中最大吸收带（554 nm）处的出峰情况，并进行分析。同时，通过在正离子化模式（ESI ）中使用的液相色谱质谱仪（LC / MS, Agilent 1100, USA）确定RhB的降解途径。

3.结果和讨论

3.1 BSO-SiO2光子晶体膜的表征

图 1 BSO膜的XRD图：(a)Bi2SiO5 (b)Bi12SiO20

如图1所示，通过XRD分析证实了BSO膜的相形成。很明显，通过Pechini溶胶-凝胶法成功制备了B2和B12膜。对于B2膜，所有衍射峰都可以被索引到JPCDS 36-0287，这表明样品B2是充分结晶的正交结构。同时除了229.4°处的衍射峰不能为索引到，图1（b）中的所有峰均与立方B12（JCPDS 37-0485）良好吻合，而229.4°处的弱衍射峰可被标为B2相。这表明在B12膜中包含少量的次级相。

图 2用不同量氨水获得的SiO2球的SEM图像：(a) 3 mL, (b) 5 mL, (c) 7 mL；不同粒径SiO2球制备SPC模板的SEM顶视图：(d) 180 nm, (e) 215 nm和(f) 230 nm

图2显示了SEM表征的SiO2球和SPC模板的形貌。如图2（a）-（c）所示，可以通过Stober方法制备均匀、单分散的SiO2球，并且可以通过氨水的量来控制SiO2球的粒径。由3 mL，5 mL和7 mL氨水制备的SiO2球的粒径分别为180 nm，215 nm和230 nm。随着氨水量的增加，由于反应过程中水解的加速，核的聚集和生长的促进，SiO2球的粒径增大了[22]。此外，SPC的形态具有明显的六边形阵列结构，如图2（d）-（f）所示。

图 3用不同的BSO旋涂时间制备的BSO-SPC的SEM图像（以B12-SPC为例）：（a）1，（b）5和（c）10。（SPC由浓度为0.1％，粒径为180 nm SiO2球制备）

图3显示了用不同的BSO旋涂时间制备的BSO-SPC的SEM图像。可以看出，光子晶体模板在旋涂和煅烧后保持有序的结构。另一方面，BSO膜均匀地沉积在SiO2球上，并且BSO膜的厚度随着旋涂时间的增加而增加。如图3（c）所示，当BSO膜太厚时，光子晶体模板被完全覆盖。

SPC的光子带隙（PBG）在提高材料的光催化性能方面起着重要作用[15, 16, 23]。因此，必须设计出与BSO的电子带隙（EBG）相匹配的SPC的光子带隙。根据布拉格定律，在面心立方（FCC）光子晶体中，PBG（lc）的中心波长可以表示为：

其中d（111）是晶面（111）之间的平面间距，而（D是SiO2球的直径）。是光入射角，在本实验中为。，即晶格的有效折射率，可以通过以下表达式近似[24, 25]：

其中f是介电填充率（在FCC结构中f=74％），和分别是SiO2球和空气的折射率（1.45，1）。因此，当SiO2球的粒径为180 nm，215 nm和230 nm时，根据布拉格定律计算的的值分别为396 nm，473 nm和506 nm。

图 4由（a）不同粒径的SiO2球（SiO2悬浮液浓度为1.0％）获得的SPC的透射光谱和（b）不同浓度（粒径为180 nm）的SiO2球获得的SPC透射光谱

另一方面，用紫外/可见/近红外分光光度计通过透射光谱来表征PC的PBG。图4（a）显示了用不同粒径的SiO2球制备的SPC的透射光谱。可以看出，随着SiO2球粒径的增加，吸收峰发生红移。以法向入射获得的SPC的分别位于389 nm，465 nm和498 nm的中心，这与计算数据接近。同时，在我们先前的工作中，B2和B12的EBG能量分别为3.16 eV和2.62 eV（分别对应于392 nm和473 nm的波长）[21]。因此，B2和B12的EBG在389 nm和465 nm分别与S

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[271240]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章