钨酸钐微晶的结构可控制备及光催化性能分析-controllable preparation of samarium tungstate crystallites and analysis of their photocatalytic properties.docx

TheControllableSynthesisandPhotocatalyticPropertiesStudyofSamariumTungstatesAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofMasterofMaterialsPhysicsandChemistryByYinghuiLiSupervisor:Prof.JianfengHuangMay,2015钨酸钐微晶的结构可控制备及光催化性能研究摘要稀土钨酸盐材料是钨酸盐中重要的成员，因兼具稀土特有的4f电子轨道和钨酸盐独特的晶体结构而表现出优异的光、电、磁和催化等特性，近年来是材料研究中备受关注的材料类型。钨酸钐是典型的稀土钨酸盐，本课题对其晶体结构和微观结构的可控合成进行研究，采用X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、漫反射吸收光谱（DRS）等分析手段对产物进行测试表征，并对光催化性能进行探索。主要结论如下：（1）使用水热法和微波水热法，以Na2WO4·2H2O和SmCl3·6H2O为原料，通过对工艺参数的调节，成功制备得到了五种具有不同晶体结构的钨酸钐：Sm2W4O14(OH)2(H2O)2、SmWO4(OH)、Sm2W3O12、Na0.77Sm3.08W5O20和Sm2W2O9。通过对反应化学机理的分析，得知钨酸根在水溶液中的水解程度和不同存在形式是产物物相发生变化的重要原因。另外含结晶水的钨酸钐在煅烧时发生分解，产物物相发生变化。水热法制备钨酸钐时，各工艺因素对晶体结构的影响程度不一，影响顺序为pH≥热处理钐钨比微波作用浓度时间。（2）通过对制备方法的选择和具体工艺参数的调节，未使用任何表面活性剂，即可对钨酸钐微晶的微观形貌进行控制。实验成功地改变了物料的成核方式，进而使产物的微观结构发生明显变化。实验结果表明，在水热条件下，Sm2W4O14(OH)2(H2O)2的典型形貌为棱柱组装的花状立体结构，SmWO4(OH)则倾向于二维生长成轮廓不规则的微米片状，Sm2W2O9则具有规则十二面体和菱形六面体混合的形貌；水热煅烧法制备的Sm2W3O12和Na0.77Sm3.08W5O20可以分别保持其煅烧前躯体的花状和片状形貌；另外Na0.77Sm3.08W5O20在微波水热直接制备的情况下形貌变化为四棱梭形。上述大部分产物都可经过调节而得到团簇形貌，具有团簇形貌的样品在后续研究中表现出较好的光催化性能。（3）结合电化学和光学测试结果，对五种钨酸钐的半导体特性进行表征。结果表明钨酸钐均为n型半导体，都具有较大的禁带宽度，由小到大分别为：Sm2W3O12（3.33eV）、Na0.77Sm3.08W5O20（3.86eV）、Sm2W4O14(OH)2(H2O)2（4.27eV）、Sm2W2O9（4.32eV）和SmWO4(OH)（4.64eV），它们的导带位置比较接近，而价带位置则变化较大。I（4）光催化性能测试结果表明，不同物相间性能的差异大于同物相间不同形貌的差异，而具有团簇形貌的样品性能普遍较好。五种钨酸钐光催化降解罗丹明B的性能强弱顺序为：Sm2W3O12Sm2W4O14(OH)2(H2O)2Na0.77Sm3.08W5O20Sm2W2O9SmWO4(OH)。分析发现禁带宽度是主要影响因素。采用液相溶剂蒸发法，以ZnS为共催化剂构筑了共催化体系，发现Sm2W4O14(OH)2(H2O)2-ZnS、SmWO4(OH)-ZnS、Sm2W3O12-ZnS、Na0.77Sm3.08W5O20-ZnS均能达到目标要求，性能明显提升；而Sm2W2O9-ZnS在使用液相溶剂蒸发法制备时无法形成有效地共催化体系。推测体系性能提高的原因主要包括体系光吸收增强、光生载流子分离效率提高和罗丹明B脱乙基反应的发生等。关键词：钨酸钐，物相控制，形貌控制，光催化，共催化体系TheControllableSynthesisandPhotocatalyticPropertiesStudyofSamariumTungstatesABSTRACTDuetotheirunique4felectronorbitsandinterestingcrystalstructures,rare-earthtungstatesarewidelyappliedinvariousfields,suchasoptical,electrical,magneticalandphotocatalyticapplications,recevingmuchattention.Thisstudyfocusedonthecrysta