二维层状铁电铌酸盐SrBi2Nb2O9的合成、改性和光催化性能研究

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二维层状铌酸盐材料因原料来源广、合成工艺过程简单且成分和结构具有多样性等优点,从而在光催化合成新能源和治理环境污染等方面具有广泛的应用。然而,当前铌酸盐二维层状钙钛矿的合成方法主要依赖于传统的高温固相法和以水热法为代表的湿化学方法,这些方法普遍能耗高且工艺过程繁琐。为此,本文首先采用熔盐法制备出SrBi2Nb2O9二维层状钙钛矿。然后,通过自上而下的方法合成出H178Sr078Bi022Nb2O7二维超薄纳米片。在此基础上,通过自下而上的方法合成出Ni(Ⅲ)-CH3CH2NH2/H178Sr078Bi022Nb2O7层状复合钙钛矿材料。然后研究了它们的光催化性能以及改性对光催化性能的微观物理化学影响机制。具体研究内容和结果如下:  (1)以SrCO3、Bi2O3和Nb2O5为前驱体,NaCl和KCl为熔盐体系,采用熔盐法制备出铁电SrBi2Nb2O9二维层状钙钛矿。SrBi2Nb2O9的晶体结构是由(SrNb2O7)2-钙钛矿层和(Bi2O2)2+层沿垂直于(00l)晶面交替排列形成的二维层状钙钛矿结构,其中Sr2+位于NbO6八面体结构的间隙中。所合成的SrBi2Nb2O9为纳米板状结构并且结晶度高,其长度集中分布在2μm~8μm之间,厚度约为600nm。光催化性能测试结果表明,所合成的SrBi2Nb2O9具有光催化分解水产氢和光热协同催化还原CO2产生CO的能力。  (2)通过对SrBi2Nb2O9二维层状钙钛矿进行质子化(产物为H178Sr078Bi022Nb2O7纳米板)和化学液相剥离,得到厚度仅为2.6nm的H178Sr078Bi022Nb2O7二维超薄纳米片。SrBi2Nb2O9、H178Sr078Bi022Nb2O7纳米板和H178Sr078Bi022Nb2O7二维超薄纳米片的带隙分别为3.12eV、3.36eV和3.43eV。无任何助催化剂的条件下,三个样品的光催化分解水产氢速率分别为7.6μmol·h-1、32.0μmol·h-1和207.0μmol·h-1。H178Sr078Bi022Nb2O7二维超薄纳米片光催化性能的提高是由于其厚度减小,从而导致其比表面积增加、光生载流子的分离效率提高所引起的。  (3)在H178Sr078Bi022Nb2O7二维超薄纳米片成功合成的基础上,引入Ni2+,通过化学反应诱导层层组装合成出Ni(Ⅲ)-CH3CH2NH2/H178Sr078Bi022Nb2O7二维复合层状钙钛矿,然后研究了组装前后的催化剂光催化分解水产氢性能。和H178Sr078Bi022Nb2O7二维超薄纳米片相比,Ni(Ⅲ)-CH3CH2NH2/H178Sr078Bi022Nb2O7的比表面积增大,光生电子和空穴的分离效率提高,光催化分解水产氢性能也得到了提高。经优化后,0.5%Ni/H178Sr078Bi022Nb2O7的光催化分解水产氢速率最高,为372.67μmol·h-1,相较于H178Sr078Bi022Nb2O7二维超薄纳米片光解水产氢速率提高了0.54倍,并且表现出良好的循环稳定性。此外,0.5%Ni/H178Sr078Bi022Nb2O7还表现出与0.5%Pt/H178Sr078Bi022Nb2O7相当的光催化活性,0.5%Ni/H178Sr078Bi022Nb2O7光催化分解水产氢速率约为0.5%Pt/H178Sr078Bi022Nb2O7的80.10%。
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