Bi2Fe4O9晶体的定向生长及其光催化活性外文翻译资料

 2022-08-10 16:29:03

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Bi2Fe4O9晶体的定向生长及其光催化活性

摘要：Bi2Fe4O9晶体的定向生长是通过一种简便的水热途径在不同的有机添加剂存在下合成的。X射线衍射用于表征衍生粉末，表明分别获得了沿（001）和（221）平面生长取向的单相Bi2Fe4O9。使用傅立叶变换红外光谱仪，扫描电子显微镜和紫外可见漫反射光谱观察到了所制备样品的广泛结构特征，在可见光照射下对甲基橙溶液的降解进行了不同取向的评估。结果表明（001）面的光催化活性远高于（221）面的光催化活性。

  1. 引言

使用纳米晶二氧化钛（TiO2）的半导体光催化一直是有希望的环境净化技术[1，2]。 然而，TiO 2的带隙相当大（3.0-3.2 eV）。因此，TiO2的总光催化效率仅限于紫外线区域，这仅占入射太阳能的4-5％。因此，已经进行了许多尝试来开发能够响应可见光照射的新型光催化剂[3，4] 。最近，对铋铁氧体的光催化活性进行了广泛的研究[5-7]，铋铁氧体是包括亚硅酸盐型和钙钛矿型化合物的大家族。其中，Bi2Fe4O9的带隙为1.9-2.0 eV [8]，可能从紫外线到可见光都有很强的吸收能力。

Bi2Fe4O9具有正交结构，其晶格常数为a = 7.950，b = 8.428，c = 6.005（Pbam的空间群）。 Bi2Fe4O9的一个晶胞包含两个具有FeO6八面体和FeO4四面体的分子式单元[9]。在许多领域，例如燃料电池，半导体传感器和闪烁体[10-12]，它是令人非常感兴趣的材料。 由于其将NH3催化氧化为NO的高催化效率，[13，14] 被推荐作为一种有效的非铂催化（NPC）。

此外，Bi2Fe4O9是一种有趣的磁性材料，它在Neacute;el温度TNasymp;240-265 K时会从顺磁性转变为反铁磁性[15，16]。

Ruan等人先前对Bi2Fe4O9晶体的可调形貌的研究[17]。表明Bi2Fe4O9纳米片对甲基橙的光催化活性高于Bi2Fe4O9微片。Sun等[18]还发现，沿（100）平面由纳米板组成的花状Bi2Fe4O9与块状Bi2Fe4O9相比，具有较高的性能。那具有定向生长的Bi2Fe4O9晶体光催化性能怎么样？

在本文中，借助于不同的有机添加剂，水热合成了具有（001）或（221）面取向的Bi2Fe4O9晶体。并且工作主要集中在可见光引起的MO溶液的降解。（001）和（221）平面之间的反应性差异也是第一次公开。

  1. 实验程序

将5mmol的Bi（NO3）3·5H2O和10mmol的Fe（NO3）3·9H2O溶解在HCl溶液（10％）中。为了获得具有（001）平面取向的Bi2Fe4O9粉末，将0.96克聚乙二醇（PEG 400）添加到搅拌直至形成澄清的上述溶液中。然后在剧烈搅拌下缓慢加入NaOH水溶液（12M）。

将最终的棕红色沉淀物转移到40 mL衬有Teflon的高压釜中，其体积不得超过总体积的80％。 水热反应在200 ℃下进行保持24 h，然后自然冷却至室温。 产品经蒸馏洗涤

加水和无水酒精几次，最后在70℃ 持续24小时。 对于Bi2Fe4O9样品在（221）面取向下，在相同条件下加入5mmol柠檬酸代替PEG 400。在没有有机添加剂的情况下，还合成了具有随机取向的Bi2Fe4O9样品。

制备的Bi2Fe4O9样品的晶体结构是使用带有Kalpha;辐射（lambda;= 0.1542 nm）的Rigaku D / Max-2200衍射仪通过X射线粉末衍射（XRD）确定的。 通过场发射扫描电子显微镜（JSM-6700F SEM）研究了形态，使用Shimadzu UV-2501PC紫外可见分光光度计测量粉末的UV-vis漫反射光谱（UV-DRS）在500 W Xe灯的照射下进行了甲基橙（MO）降解的光催化测试。使用420nm截止滤光片提供可见光照射。 MO溶液的原始浓度为15 mg / L，Bi2Fe4O9催化剂负载量为1克/升辐照前，将20mmol H2O2悬浮液在黑暗中磁力搅拌2小时，直至确保光催化剂和MO溶液之间的吸附-解吸平衡。通过使用UV-vis分光光度计测量其在464nm处的吸光度来评估MO溶液的含量。

  1. 结果与讨论

通过X射线衍射（XRD）确定制备的Bi2Fe4O9样品的晶体结构，XRD图谱如图1所示。三个样品的XRD图谱中的所有峰都可以完美地与正交晶体Bi2Fe4O9索引，而没有任何杂质（JCPDS卡号74-1098）。应该注意的是，加入PEG 400会导致相对强度的显着增加。（001）峰（图1b）与常规值（图1a）相比，表明形成了沿（001）面的首选取向。同时，（221）峰的相对强度比添加柠檬酸的Bi2Fe4O9样品的常规值高得多（图1c），表明沿（221）面取向。

图2显示了所制备的Bi2Fe4O9样品的FT-IR光谱。这三个样品的所有FT-IR光谱都相似，并且将438、472、524、589、639和813 cm-1处的吸收带分配给Bi2Fe4O9 [19]大约1636 cm-1处的吸收峰归因于游离O-H组水的拉伸振动。没有观察到由PEG 400或柠檬酸产生的特征峰，

表明在蒸馏水和无水乙醇洗涤后，PEG 400或柠檬酸已从Bi2Fe4O9粉末中完全去除。

Bi2Fe4O9粉末的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像如图3所示。可以看出，通过改变有机添加剂，获得了具有板形和矩形形貌的Bi2Fe4O9 晶体。 在没有有机添加剂的情况下，合成了Bi2Fe4O9板，其边缘长度为400-600 nm，厚度为〜160 nm（图3a）。 如图3b中所示，PEG 400的添加导致板状晶体的厚度减小和尺寸均匀性的改善。根据图3b中观察到的扁平形貌，可以合理地得出结论，晶体的宽表面或多或少平行于Bi2Fe4O9的（001）平面。与图3a和3b中的形态相比，可以发现（001）面可能是主要的裸露面[20]。在图3c中，在柠檬酸的存在下获得了具有亚微米级尺寸的Bi2Fe4O9矩形晶体，根据图1c中XRD的分析，该表面可能具有更大的（221）平面。

图4a显示了根据Kubelka-Munktheory从漫反射光谱转换得到的Bi2Fe4O9粉末的紫外可见吸收光谱。“a”，“b”和“c”样品分别命名为在不存在添加剂，PEG 400存在和柠檬酸存在下制备的Bi2Fe4O9粉末。可以看出，所有三个样品的吸收在从紫外光区域到可见光的范围内。图4b反映了外推至F（R）1/2 = 0 [17]的带隙。 尽管样品“a”和“b”是在不同条件下获得的，但是带隙都接近2.1 eV。“c”样品的带隙约为2.0 eV，这表明“c”样品的氧化还原活性略低于“a”样品和“b”个样本。

如图5所示，对Bi2Fe4O9样品的光催化活性进行了评估MO解决方案。在可见光照射下3 h，朝向MO随机取向的Bi2Fe4O9样品的降解效率约为52％。 同时，通过使用具有（001）取向的Bi2Fe4O9粉末作为催化剂，从溶液中除去了近93％的MO。 添加柠檬酸的Bi2Fe4O9样品在三个样品中显示出最低的降解效率（13％），与图4的分析结果完全一致。

还进行了不含Bi2Fe4O9粉末的对比实验。 0.9％的降解效率表明，“b”样品的高性能是Bi2Fe4O9粉末的主要贡献，而过氧化氢的功能在先前的研究中有所解释[18-20]。

在以上分析的基础上，我们发现不同的晶面具有不同的导带和价带表面能级，从而导致不同的光催化活性。对于Bi2Fe4O9粉末，（001）面的活性高于（221）面，其他取向的活性也值得研究。

  1. 总结

综上所述，据报道水热法辅以不同的有机添加剂获得了具有沿（001）或（221）平面生长方向的单相Bi2Fe4O9晶体。对MO溶液的光催化测试表明，板状Bi2Fe4O9的（001）面比矩形Bi2Fe4O9的（221）面具有更高的活性。 因此，有可能通过调整暴露的高反应性面来优化这种材料的光催化活性。

  1. 致谢

这项工作得到了上海纳米技术专项基金的资助。1052nm07300，上海市自然科学基金，批准号：08ZR1407700，上海教育发展基金会，上海优秀学术学科No. 08SG41（S30107）和国家自然科学基金，批准号：50872080

Ba改性Bi2Fe4O9的结构，磁性和电学性质

摘要：Bi2-xBaxFe4O9材料（0le;xle;0.125）已通过溶胶-凝胶法合成。结构表征显示正交晶Bi2Fe4O9的单相。此外，Bi2-xBaxFe4O9的结构随着Ba含量的增加而逐渐呈现规则变化。检查样品的表面形态，显示出均匀的晶粒分布并伴随着随Ba含量的增加而减小。由于掺杂钡，磁性能显着增强，表现为剩余磁化强度和饱和磁化强度的增加。介电常数呈具有巨大的数值的上升趋势，尤其是在高温范围内，另外，交流电导率的实部随频率和Ba含量的增加而呈现增加趋势，阻抗谱分析也表明电导率增加，可以通过替换Ba来改善Bi2Fe4O9的磁和电性能从Bi3 到Fe3 的Ba2 的不同离子半径，导致磁性结构和形态的变化。

  1. 引言

数据存储设备具有广阔的应用前景，众所周知，多铁性材料同时具有磁序和电序[1、2]。 钙钛矿型化合物BiFeO3由于具有室温磁电特性，因此是被广泛研究的单相多铁性材料之一。即使这样，由于倾斜自旋，具有G型反铁磁序的BiFeO3仍显示出弱的铁磁特性[3]

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