編號：CYYJ02376
篇名：Mn摻雜的鐵電半導體BiFeO3本征光催化氧化水活性的研究
作者：Jafar Hussain Shah Anum Shahid Malik Ahmed Mahmoud Idris Saadia Rasheed 韓洪憲 李燦
關(guān)鍵詞： 光催化水氧化 帶隙工程 鐵酸鉍 鐵電材料 陽離子摻雜
機構(gòu)： 中國科學院大連化學物理研究所 中國科學院大學
摘要： 開發(fā)穩(wěn)定高效的可見光吸收的氧化物半導體光催化劑是太陽能光催化分解水的一個重要研究方向.最近我們提出(J.Mater.Chem.A,2020,8,6863−6873),具有室溫鐵電性質(zhì)的BiFeO3(BFO)薄膜體系表現(xiàn)出低光電流密度響應(yīng)是由于鐵電疇壁/界面處的電荷復(fù)合,而該作用在納米粒子催化劑體系中應(yīng)該會大大減少.為了證明這一觀點,我們通過溶膠-凝膠法合成了BFO納米粒子,并進行了Mn摻雜獲得了Mn-BFO.光催化水氧化反應(yīng)表明,純BFO具有光催化氧化水的活性,析氧數(shù)率達到70μmol h-1 g-1;而Mn摻雜量優(yōu)化(0.05%)后的Mn-BFO在可見光(λ≥420 nm)照射下的析氧活性大大提高,達到255mmol h-1 g-1.帶隙研究表明,通過改變Mn的摻雜量,可以將Mn-BFO的帶隙從2.1 eV調(diào)整為1.36 eV.DFT計算表明,表面的Fe物種是水氧化的活性位點,而不是Mn物種,因為Mn摻雜后Fe物種的水氧化過電勢0.51 V,是所考察的表面Fe和Mn物種中過電勢中最低的.因此,Mn-BFO光催化水氧化活性的增強可歸因于半導體帶隙變窄后吸收更多的可見光、降低了的水氧化過電勢以及抑制光生電荷復(fù)合這幾項的協(xié)同效應(yīng).這項工作表明,錳摻雜是提高納米粒子鐵電BFO光催化劑固有光催化水氧化活性的有效策略.本文采用溶膠-凝膠法成功制備了錳摻雜的BFO樣品,并使用XRD,DRS,Mott-Schottky,XPS和PL等進行了表征.XRD分析結(jié)果表明,Mn摻雜后,BFO的(110)和(104)衍射峰向高位衍射角方向位移合并產(chǎn)生一個更寬的峰,表明Mn的摻雜引起B(yǎng)FO晶格結(jié)構(gòu)變形.DRS光譜分析表明,Mn的摻雜可以拓展可見光的吸收,從純BFO的550 nm吸收邊(對應(yīng)于2.1 eV的帶隙)擴展到BFO-2的800 nm(對應(yīng)于1.46 eV的帶隙)吸收帶邊.這些結(jié)果與用DFT計算DOS分析得到的BFO和BFO-2理論帶隙值2.05和1.53 eV一致.Mott-Schottky分析表明,BFO和BFO-2是p型半導體,其平帶(Vfb)電勢分別為1.7和1.6 V vs NHE,VB位置估計分別為2.0和1.9 V vs NHE,而CB位�
