纳米铁酸铋的合成、表征、性质及其应用

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BiFeO3(BFO)作为一种典型的单相铁磁电材料,具有三角扭曲的钙钛矿结构,是少数室温下同时具有铁电有序和G型反铁磁有序的物质,已应用于新型记忆材料,电可调微波器件和自旋电子器件等领域。而多铁性纳米BFO材料因其纳米尺度耦合作用,尺寸效应,原子尺度界面耦合等机制引起的独特物理化学性质,在温度探测、高密度磁记录存储、磁电逻辑门、彩色显示器消磁和自动控温等领域有着潜在的应用价值,受到了人们的青睐。虽然目前人们已在纳米BFO的制备,表征及其应用等方面做了一些研究工作,然而快速、环保的合成工艺,高效的光、电催化应用仍然是当前领域研究的热点。因此,本文以纳米BFO的合成、表征、物理化学性质、催化活性为研究目标,其主要研究内容包括:(1)采用水热法合成了微纳米晶圆片状的BFO。在低温低碱且在不加任何分散剂和矿化剂的条件下,成功地制备了纯的、高结晶、高分散的菱形相、钙钛矿结构的微纳米晶圆片状的BFO,该产物在室温下呈现出典型的反铁磁特性。从XPS及EDS的结果可推断出微纳米晶圆片状的BFO的组成为Bi0.99Fe0.96O3.06。FT-IR图谱中呈现出钙钛矿中八面体FeO6的典型特征峰:Fe-O的伸缩振动峰(548.38cm-1)和O-Fe-O的弯曲振动峰(439.65cm-1)。Raman图谱中呈现出BFO的3个A1振动膜的峰及8个E振动膜的峰,其结果相对理论值出现红移,表明微纳米晶圆片状的BFO存在晶格的非谐效应和可能的应变力。实验结果表明:微纳米晶圆片状BFO带隙能量为2.05eV,具有可见光光催化的特性。我们在可见光的条件下,对微纳米晶圆片状的BFO与H2O2体系催化降解罗丹明B(RhB)溶液进行了较系统的研究:微纳米晶圆片状的BFO在适量H2O2的协同作用下对RhB有较好的光催化降解作用,3h后10mg L-1的RhB的降解率就高达90%,而在相同条件下,TiO2对RhB的催化降解率只有27.3%。同时,我们采用循环伏安法研究了微纳米晶圆片状的BFO-壳聚糖-玻碳修饰电极(BFO-CS-GCE)的电化学行为,发现BFO修饰电极的氧化还原峰电流较裸玻碳电极的明显增大,表明微纳米晶圆片状的BFO具有较高的电催化活性。(2)采用微波辅助溶胶凝胶法合成了BFO纳米颗粒(BFONPs)。在微波辅助下,加入低浓度的氨水和适量的分散剂PEG(6000),快速节能的合成了一种高单分散的、平均粒径为73.7nm、菱形相钙钛矿结构的BFO NPs,其晶体沿着(104)反射面取向生长;在室温下显示出弱的铁磁性的,其饱和磁强度为45.77emu g-1;相应的带隙能量为2.18eV,并且在可见光区存在2个特征吸收峰,分别为金属向金属过渡引起的吸收峰(450nm附近)和晶体场转型导致的吸收峰(650nm附近)。我们采用BFO NPs-CS-GCE构建了环境污染物的传感器,实验结果显示:BFO NPs对对硝基酚(p-NP)有较高的电催化活性。另外,在超声波-微波(US-MW)联合作用的条件下,评价了BFONPs的氧化催化能力:以BFONPs为催化剂,H2O2为氧化剂,在优化条件下,10mgL-1的亚甲基蓝(MB)的降解率高达90%(15min),并对BFO NPs与H2O2协调降解MB的可能反应机理进行了探讨。(3)研究了不同形貌的纳米BFO在光学、磁学、电学性质方面的差异。实验结果表明:水热法合成的晶圆片状的BFO具有反铁磁性能;以氨水为配位剂的微波辅助溶胶凝胶法合成的纳米颗粒BFO和以柠檬酸为配位剂的微波辅助溶胶凝胶法合成的无规则的纳米片状的BFO都具有弱磁性,其中颗粒状的BFO还具有较高的电催化活性,在电化学分析方面有潜在的应用前景;无规则的纳米片状的BFO显示出相对窄的带隙能量。由此可见,形貌对纳米BFO的光电磁的性质有较大影响。
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