铁酸铋基微纳纤维的电纺制备与性能研究

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近年来,多铁性材料因具有多铁特性(铁电性、铁磁性等)和磁电耦合效应而在信息存储器件、传感器件、光学等领域有着广阔的应用前景。铁酸铋(BiFeO3,BFO),一种具有菱形钙钛矿结构的多铁性材料,在室温下具有铁电有序(铁电居里温度TC1100 K)与反铁磁有序(反铁磁奈尔温度TN640 K)的特性。同时,它是一种窄带隙(Eg=2.02.7 eV)光催化剂,具有良好的可见光响应。然而,块状BFO材料存在光生载流子迁移率低、光生电子-空穴复合机率大以及量子效率不高等问题,严重制约着BFO材料的应用。构筑一维纳米形貌BFO材料、贵金属负载和半导体耦合,是解决上述问题的重要途径。本论文首先构筑了BFO微纳纤维,然后制备了贵金属Au负载型BFO微纳纤维,最后制备了BiOBr/BiFeO3纤维异质结,并对其铁电、铁磁、光催化性能以及关联机制和作用机理进行了研究。主要研究内容如下:(1)采用溶胶-凝胶法结合静电纺丝技术制备了系列BFO微纳纤维(BFO NFs),研究了煅烧温度对样品微观形貌、物相组成、光吸收、铁电、铁磁以及光催化性能的影响。结果表明:在550°C煅烧温度下能够获得表面光滑、束径约为220 nm的连续纤维状钙钛矿BFO,但存在少量Bi25FeO40杂质相;当温度升至600°C时,杂质相消失,纤维束径减小且连续性好,形貌呈串珠状;进一步提高煅烧温度,BFO NFs发生断裂、垮塌,并在700°C形成不规则短粗棒状产物。600°C煅烧温度条件下得到的BFO NFs具有良好的铁电性能、光催化活性和稳定性,这与其具有较好的结晶性能、较小的带隙以及特殊的一维形貌有关。(2)采用柠檬酸还原法制备了贵金属Au负载型BFO微纳纤维(Aux-BFO NFs,x=0,0.6,1.2,1.8,2.4 wt.%)光催化剂,研究了Au纳米粒子负载量对BFO NFs物理化学性能及光催化性能的影响。结果表明:在Au负载过程中,溶液的还原环境可促使BFO NFs表面形成BFO纳米薄片(NSs),得到BFO纳米纤维/纳米片同质结,BFO NSs的数量随着Au负载量的增加而增加。当Au负载量为1.2 wt.%(Au1.2-BFO NFs)时,样品表现出最佳铁磁性能和光催化活性,在模拟太阳光照条件下对亚甲基蓝(MB,浓度15 mg/L)的催化效率达到85.76%,显著优于纯相BFO NFs的催化效率(49.49%,MB,浓度15 mg/L)。光催化活性显著增强主要归因于Au的等离子共振效应、独特的纳米纤维/纳米片同质结结构、同质结形成过程产生的缺陷(Fe2+/Fe3+对与氧空位)。在该材料体系中,空穴(h+)在光催化降解MB过程中起主导作用。(3)采用包覆法制备了BiOBr/BiFeO3纤维异质结(x%BiOBr-BiFeO3 NFs,x=5.0,7.5,10.0摩尔值)光催化剂,研究了BiOBr包覆量对BFO NFs物理化学、铁电性能及光催化性能的影响。结果表明:BiOBr-BiFeO3 NFs具有良好的铁电与铁磁性能,样品的带隙值随着BiOBr包覆量的增加而略有增加。当BiOBr添加量为7.5 mol.%(7.5%BiOBr-BiFeO3 NFs)时,样品具有最低的荧光强度(PL),能够有效降低光生空穴-电子对的复合几率,且呈现出良好的稳定性。该样品在模拟太阳光照条件下对MB(浓度20 mg/L)的光催化效率达到74.84%,显著优于纯相BFO NFs(30.48%,MB,浓度20 mg/L)。这说明BiFeO3/BiOBr异质结有助于显著提高BFO的光催化性能。综上所述,本论文通过构筑一维纳米材料、贵金属负载和半导体耦合的方法解决了BFO光催化剂存在的光生载流子迁移率低、光生电子-空穴复合机率大以及量子效率低等问题,对于提高MB等有机物染料的降解效率具有较重要的意义。
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