文献综述

1.1课题研究的背景和意义

当今世界，能源耗尽和环境污染是两大亟待解决的问题：各种有毒有害污染物不断进入人类赖以生存的水、空气和土壤中，严重威胁到人类的生存。半导体光催化技术作为一种”绿色技术”能利用太阳光能分解水产生氢气、氧化降解有机污染物，受到人们的广泛关注。研究最多的光催化材料是纳米TiO₂，但是TiO₂禁带宽度低，对太阳光的利用率很低。此外，TiO₂激发产生的电子与空穴复合率高，光量子效率也很低。这些都在一定程度上限制了TiO₂的应用。由于太阳光能量主要集中在400-700nm的可见光范围，达总能量的43%。因此，研制可见光响应的催化剂是提高太阳能利用率的关键。

研究可见光催化剂的一条新思路是寻找新型光催化剂，其中铋基化合物因具有特殊的层状结构和适当大小的禁带宽度而引人注目。而铋系氧化物半导体材料独特的电子结构，在可见光范围内有明显的光吸收，近年来逐渐成为了光催化领域一个研究的热点。对铋系光催化材料的研究已取得了一定的成效，但还存在若干问题^[1]：（1）对铋系光催化剂的能带结构、光学性能及降解机理缺乏系统深入的研究；（2）实际应用问题。铋系光催化材料在可见光范围内的光催化活性相对于TiO₂虽然有明显提高，但其光量子效率还较低，距实际应用仍有较大的距离。（3）催化剂的固载问题。光催化剂的固定、再生和回收重复利用是光催化降解技术的一个关键。（4）光催化剂的制备方法问题。一些新型的光催化剂尽管在紫外光区和可见光区都具有良好的光催化性能，但是其制备方法一般需要高温、高压等苛刻的条件、繁杂的制备工艺流程以及成本高昂的生产设备。

近年来，针对这些问题，越来越多的学者着手采取构建异质结构的方法，依据光催化降解污染物的反应机理，从抑制光生电子与空穴的复合、扩大可见光响应范围的角度，以磷酸铋半导体为基体进行改性研究。

1.2 半导体光催化的机理

半导体光催化实际上就是将一定量的光催化半导体加入水溶液中，在太阳光或者其他光源的照射下，半导体被激发产生电子-空穴对，进而发生光催化氧化还原反应，使有机物得到降解的方法。

在光催化技术中，光和催化剂是光催化氧化还原的关键因素。半导体的特殊能带结构决定了其光催化的特性。半导体的能带结构由一个占满电子的低能量价带和一个空的高能量导带组成，两个能带之间是一个间断的不连续区域，称为禁带，其宽度Eg约为2-3eV。半导体光催化主要分为三个阶段：首先半导体吸收光子，当光子的能量大于或等于禁带宽度时，半导体被激发，产生高活性的电子-空穴对；然后在电场的作用下，电子和空穴发生分离，转移到半导体颗粒表面；最后当能带的边缘符合适当的条件时，电子和空穴将会与水或有机物产生氧化还原反应，从而达到光催化的目的。

光催化氧化还原有两种方式，当催化剂表面主要吸附物为有机物时，空穴直接使有机物氧化降解，当催化剂表面主要吸附物为H₂O或者OH^-时，吸附物俘获空穴生成羟基自由基（#183;OH），它的氧化活性比空穴高，能够氧化多种有机物并使其彻底矿化，这是间接氧化有机物的方式^[2,3]。

1.3 光催化活性影响因素