编号：CYYJ02376
篇名：Mn掺杂的铁电半导体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 韩洪宪 李灿
关键词： 光催化水氧化 带隙工程 铁酸铋 铁电材料 阳离子掺杂
机构： 中国科学院大连化学物理研究所 中国科学院大学
摘要： 开发稳定高效的可见光吸收的氧化物半导体光催化剂是太阳能光催化分解水的一个重要研究方向.最近我们提出(J.Mater.Chem.A,2020,8,6863−6873),具有室温铁电性质的BiFeO3(BFO)薄膜体系表现出低光电流密度响应是由于铁电畴壁/界面处的电荷复合,而该作用在纳米粒子催化剂体系中应该会大大减少.为了证明这一观点,我们通过溶胶-凝胶法合成了BFO纳米粒子,并进行了Mn掺杂获得了Mn-BFO.光催化水氧化反应表明,纯BFO具有光催化氧化水的活性,析氧数率达到70μmol h-1 g-1;而Mn掺杂量优化(0.05%)后的Mn-BFO在可见光(λ≥420 nm)照射下的析氧活性大大提高,达到255mmol h-1 g-1.带隙研究表明,通过改变Mn的掺杂量,可以将Mn-BFO的带隙从2.1 eV调整为1.36 eV.DFT计算表明,表面的Fe物种是水氧化的活性位点,而不是Mn物种,因为Mn掺杂后Fe物种的水氧化过电势0.51 V,是所考察的表面Fe和Mn物种中过电势中最低的.因此,Mn-BFO光催化水氧化活性的增强可归因于半导体带隙变窄后吸收更多的可见光、降低了的水氧化过电势以及抑制光生电荷复合这几项的协同效应.这项工作表明,锰掺杂是提高纳米粒子铁电BFO光催化剂固有光催化水氧化活性的有效策略.本文采用溶胶-凝胶法成功制备了锰掺杂的BFO样品,并使用XRD,DRS,Mott-Schottky,XPS和PL等进行了表征.XRD分析结果表明,Mn掺杂后,BFO的(110)和(104)衍射峰向高位衍射角方向位移合并产生一个更宽的峰,表明Mn的掺杂引起BFO晶格结构变形.DRS光谱分析表明,Mn的掺杂可以拓展可见光的吸收,从纯BFO的550 nm吸收边(对应于2.1 eV的带隙)扩展到BFO-2的800 nm(对应于1.46 eV的带隙)吸收带边.这些结果与用DFT计算DOS分析得到的BFO和BFO-2理论带隙值2.05和1.53 eV一致.Mott-Schottky分析表明,BFO和BFO-2是p型半导体,其平带(Vfb)电势分别为1.7和1.6 V vs NHE,VB位置估计分别为2.0和1.9 V vs NHE,而CB位�
