SrBi4Ti4O15光催化性能：從原理到應(yīng)用的深度剖析

一、引言1.1研究背景與意義隨著全球工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，環(huán)境污染和能源短缺問題日益嚴(yán)峻，成為制約人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩大瓶頸。在環(huán)境污染方面，工業(yè)廢水、廢氣以及生活污水的排放，導(dǎo)致水體、大氣和土壤受到嚴(yán)重污染，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成了巨大威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有大量的有害化學(xué)物質(zhì)被排放到環(huán)境中，其中包括各種有機(jī)污染物、重金屬離子以及氮氧化物等。這些污染物不僅難以自然降解，還會(huì)在環(huán)境中不斷積累，引發(fā)一系列環(huán)境問題，如水體富營養(yǎng)化、酸雨、霧霾等。同時(shí)，能源短缺問題也日益突出，傳統(tǒng)化石能源如煤炭、石油和天然氣的儲(chǔ)量有限，且在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體，加劇全球氣候變化。因此，開發(fā)高效、清潔的環(huán)境治理和能源轉(zhuǎn)化技術(shù)迫在眉睫。光催化技術(shù)作為一種新興的綠色技術(shù)，在環(huán)境治理和能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，受到了廣泛的關(guān)注和研究。其基本原理是利用半導(dǎo)體材料在光照下產(chǎn)生的光生電子-空穴對，引發(fā)一系列氧化還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對污染物的降解和能源的轉(zhuǎn)化。1972年，F(xiàn)ujishima和Honda發(fā)現(xiàn)了TiO?電極在紫外光照射下可以將水分解為氫氣和氧氣，即著名的“本多-藤島效應(yīng)”，這一發(fā)現(xiàn)揭開了多相光催化新時(shí)代的序幕。此后，光催化技術(shù)在污染物降解、重金屬離子還原、空氣凈化、CO?還原、太陽能電池、抗菌、自清潔等方面得到了廣泛的應(yīng)用研究。在水污染治理方面，光催化技術(shù)可以有效地降解各種有機(jī)污染物，如染料、酚類、抗生素等，將其轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳和水等小分子物質(zhì)。例如，對于常見的亞甲基藍(lán)、羅丹明B、甲基橙等染料廢水，光催化降解能夠使其脫色并礦化，降低其對水體的污染。同時(shí)，光催化還可以將水體中的有毒重金屬離子，如Cr??、Pt??、Au3?等還原為低價(jià)離子，減弱其毒性。在空氣凈化領(lǐng)域，光催化技術(shù)可以去除空氣中的氮氧化物（NO?，NO等）、硫氧化物（SO?，SO?等）以及各種揮發(fā)性有機(jī)化合物（甲苯、苯、二甲苯、乙醛、甲醛等），改善空氣質(zhì)量。在能源轉(zhuǎn)化方面，光催化分解水制氫和CO?還原是兩個(gè)重要的研究方向。通過光催化將水分解為H?和O?，用氫能源取代化石能源，具有生態(tài)環(huán)保、成本低等優(yōu)點(diǎn)，有望解決能源短缺問題；利用光催化技術(shù)將CO?還原為甲烷、甲醇、甲酸等有機(jī)化合物，不僅可以降低大氣中CO?含量，緩解溫室效應(yīng)，還可以實(shí)現(xiàn)碳資源的循環(huán)利用。在眾多的光催化材料中，SrBi?Ti?O??作為一種層狀鉍基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，在光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的研究價(jià)值和應(yīng)用潛力。SrBi?Ti?O??的基本結(jié)構(gòu)由四層鈣鈦礦層(SrBi?Ti?O??)2?和一層螢石結(jié)構(gòu)的鉍氧層(Bi?O?)2?交替排布組成。這種特殊的結(jié)構(gòu)使其具有明顯的各向異性，在合成制備過程中傾向于形成高比表面積的納米片形貌，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。其價(jià)帶能級由高度離散的Bi6s和O2p雜化軌道組成，這種高度離散的軌道能級更利于光生空穴的遷移和相應(yīng)的光催化氧化反應(yīng)。同時(shí)，由于鉍氧層的存在，使其具有非常高的結(jié)構(gòu)和性能的可調(diào)性，可以通過摻雜、改性等手段進(jìn)一步優(yōu)化其光催化性能。此外，SrBi?Ti?O??是極性材料，存在本征偶極矩，其鈣鈦礦層(SrBi?Ti?O??)2?中的TiO?八面體存在畸變，在沿[100]方向有良好排列的畸變?nèi)∠?，由于SrBi?Ti?O??的自發(fā)極化是累積的，因此可以沿著[100]方向產(chǎn)生巨大的極化，光生電子可以沿該方向極化場快速遷移至表面，實(shí)現(xiàn)載流子的分離，從而提高光催化效率。然而，目前SrBi?Ti?O??作為光催化材料仍存在一些亟待解決的問題。其一，其光吸收范圍較窄，主要集中在紫外光區(qū)域，而紫外光僅占太陽光強(qiáng)度的5％左右，這導(dǎo)致其對太陽光的利用率極低，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的效果。其二，在光催化過程中，光生電子-空穴對的復(fù)合效率較高，且轉(zhuǎn)移過程緩慢，這使得參與光催化反應(yīng)的有效載流子數(shù)量減少，降低了光催化活性。這些問題嚴(yán)重制約了SrBi?Ti?O??在光催化領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。因此，深入研究SrBi?Ti?O??的光催化性能，探索提高其光催化活性和太陽光利用率的有效方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對SrBi?Ti?O??光催化性能的研究，可以揭示其光催化反應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進(jìn)提供理論依據(jù)。通過開發(fā)新的制備方法和改性策略，可以拓寬其光吸收范圍，提高光生載流子的分離效率和遷移速率，從而提高其光催化活性和穩(wěn)定性。這不僅有助于推動(dòng)SrBi?Ti?O??在環(huán)境治理和能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，為解決環(huán)境污染和能源短缺問題提供新的技術(shù)手段和材料選擇，還可以豐富和完善光催化材料的理論體系，促進(jìn)光催化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。1.2研究現(xiàn)狀SrBi?Ti?O??作為一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能的層狀鉍基鈣鈦礦材料，在光催化領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)末至21世紀(jì)初。隨著光催化技術(shù)的發(fā)展以及對新型高效光催化材料需求的增加，對SrBi?Ti?O??的研究逐漸深入。早期的研究主要集中在材料的制備方法和基本光催化性能的探索上?？蒲腥藛T通過多種方法制備SrBi?Ti?O??，如傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法、溶膠-凝膠法等，研究其晶體結(jié)構(gòu)、形貌與光催化活性之間的關(guān)系。結(jié)果表明，SrBi?Ti?O??在紫外光照射下對一些有機(jī)污染物具有一定的光催化降解能力，但其光吸收范圍窄、光生載流子復(fù)合率高等問題也逐漸顯現(xiàn)。近年來，隨著材料科學(xué)和納米技術(shù)的不斷進(jìn)步，對SrBi?Ti?O??光催化性能的研究取得了顯著進(jìn)展，研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：元素?fù)诫s：通過對SrBi?Ti?O??進(jìn)行元素?fù)诫s，如稀土元素（La、Ce、Eu等）、過渡金屬元素（Fe、Co、Ni等）的摻雜，來改變其電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，從而影響其光催化性能。研究發(fā)現(xiàn)，適量的La摻雜可以減小SrBi?Ti?O??的禁帶寬度，拓寬其光吸收范圍，增強(qiáng)對可見光的響應(yīng)，同時(shí)還能促進(jìn)光生載流子的分離，提高光催化活性。過渡金屬元素的摻雜則可以引入新的能級，調(diào)節(jié)光生載流子的傳輸和復(fù)合過程，提升其對特定污染物的降解效率。構(gòu)建異質(zhì)結(jié)：與其他半導(dǎo)體材料（如TiO?、ZnO、g-C?N?等）構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是提高SrBi?Ti?O??光催化性能的重要策略之一。異質(zhì)結(jié)的形成可以在界面處產(chǎn)生內(nèi)建電場，促進(jìn)光生電子-空穴對的分離，有效抑制載流子的復(fù)合。例如，將SrBi?Ti?O??與TiO?復(fù)合形成的異質(zhì)結(jié)光催化劑，在可見光下對有機(jī)污染物的降解效率明顯高于單一的SrBi?Ti?O??或TiO?。這是因?yàn)樵诋愘|(zhì)結(jié)體系中，光生電子可以從SrBi?Ti?O??的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶，而空穴則從TiO?的價(jià)帶轉(zhuǎn)移到SrBi?Ti?O??的價(jià)帶，實(shí)現(xiàn)了載流子的有效分離和遷移，提高了光催化反應(yīng)效率。形貌調(diào)控：通過控制合成條件，制備具有特定形貌（如納米片、納米花、納米棒等）的SrBi?Ti?O??，以增加其比表面積和活性位點(diǎn)，改善光催化性能。納米片結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??具有較大的比表面積，有利于光的吸收和污染物的吸附，同時(shí)其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)還能促進(jìn)光生載流子的傳輸和分離，提高光催化活性。納米花狀的SrBi?Ti?O??則具有更多的晶面和活性位點(diǎn)，能夠增強(qiáng)光催化反應(yīng)的活性和選擇性。盡管在SrBi?Ti?O??光催化性能的研究方面取得了一定的成果，但目前仍存在一些問題和不足：摻雜機(jī)制和效果的不確定性：雖然元素?fù)诫s在一定程度上能夠改善SrBi?Ti?O??的光催化性能，但不同元素的摻雜機(jī)制以及最佳摻雜濃度的確定還缺乏系統(tǒng)深入的研究。部分摻雜元素可能會(huì)引入雜質(zhì)能級，導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合中心增加，從而降低光催化活性。此外，摻雜過程中元素的分布均勻性以及與SrBi?Ti?O??晶格的兼容性等問題也需要進(jìn)一步解決。異質(zhì)結(jié)界面穩(wěn)定性和協(xié)同效應(yīng)的優(yōu)化：在構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，異質(zhì)結(jié)界面的穩(wěn)定性和兩種半導(dǎo)體之間的協(xié)同效應(yīng)對于光催化性能的提升至關(guān)重要。然而，目前對于異質(zhì)結(jié)界面的調(diào)控和優(yōu)化還存在一定的困難，界面處的電荷傳輸效率和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。部分異質(zhì)結(jié)體系在長時(shí)間的光催化反應(yīng)過程中，可能會(huì)出現(xiàn)界面失配、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題，影響光催化活性和穩(wěn)定性。光催化反應(yīng)機(jī)理的深入理解：雖然對SrBi?Ti?O??光催化反應(yīng)機(jī)理的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但在光生載流子的產(chǎn)生、分離、傳輸以及與反應(yīng)物之間的相互作用等方面，還存在許多未解之謎。深入理解光催化反應(yīng)機(jī)理對于進(jìn)一步優(yōu)化SrBi?Ti?O??的光催化性能、開發(fā)新型高效的光催化材料和反應(yīng)體系具有重要意義。1.3研究目的與方法本研究旨在深入探究SrBi?Ti?O??的光催化性能，通過一系列實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，揭示其光催化反應(yīng)機(jī)理，尋找提高其光催化活性和太陽光利用率的有效方法，為其在環(huán)境治理和能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。具體擬解決以下關(guān)鍵問題：明確SrBi?Ti?O??光催化性能的主要影響因素，包括晶體結(jié)構(gòu)、形貌、元素組成等，分析各因素對其光吸收、光生載流子產(chǎn)生、分離和傳輸過程的影響機(jī)制。探索有效的改性策略，如元素?fù)诫s、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、形貌調(diào)控等，以改善SrBi?Ti?O??的光催化性能，解決其光吸收范圍窄和光生載流子復(fù)合率高的問題。深入研究改性后的SrBi?Ti?O??在光催化降解有機(jī)污染物和光解水制氫等實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，明確其實(shí)際應(yīng)用潛力和限制因素。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，建立SrBi?Ti?O??光催化反應(yīng)的理論模型，深入理解其光催化反應(yīng)機(jī)理，為進(jìn)一步優(yōu)化其光催化性能提供理論依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上述研究目的，解決關(guān)鍵問題，本研究將采用以下實(shí)驗(yàn)方法、理論計(jì)算方法及分析測試手段：實(shí)驗(yàn)方法：固相反應(yīng)法：用于制備SrBi?Ti?O??的基礎(chǔ)樣品。將按化學(xué)計(jì)量比精確稱量的SrCO?、Bi?O?和TiO?等原料充分混合，在高溫下進(jìn)行固相反應(yīng)，通過控制反應(yīng)溫度、時(shí)間和升溫速率等條件，制備出具有一定晶體結(jié)構(gòu)和純度的SrBi?Ti?O??粉體。這種方法操作相對簡單，成本較低，適合大規(guī)模制備，但可能存在產(chǎn)物粒徑較大、均勻性較差的問題。溶膠-凝膠法：為了獲得粒徑較小、分散性好的SrBi?Ti?O??樣品，采用溶膠-凝膠法。以金屬醇鹽或無機(jī)鹽為前驅(qū)體，在有機(jī)溶劑中形成均勻的溶液，通過水解和縮聚反應(yīng)形成溶膠，再經(jīng)過陳化、干燥和煅燒等過程得到SrBi?Ti?O??粉體。該方法可以精確控制化學(xué)組成，制備出的樣品具有較高的純度和均勻性，且反應(yīng)溫度較低，有利于控制材料的微觀結(jié)構(gòu)。水熱合成法：為制備具有特定形貌（如納米片、納米棒等）的SrBi?Ti?O??，采用水熱合成法。將原料置于高壓反應(yīng)釜中，在高溫高壓的水溶液環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液的pH值、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度和時(shí)間等參數(shù)，可以有效地控制產(chǎn)物的形貌和尺寸，制備出具有高比表面積和特殊形貌的SrBi?Ti?O??，有利于提高其光催化活性。理論計(jì)算方法：密度泛函理論（DFT）計(jì)算：利用密度泛函理論計(jì)算軟件，對SrBi?Ti?O??及其改性后的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等參數(shù)，分析元素?fù)诫s、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等改性策略對其電子結(jié)構(gòu)的影響，揭示光生載流子的產(chǎn)生、分離和傳輸機(jī)制，從理論上解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。分子動(dòng)力學(xué)模擬：運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究SrBi?Ti?O??在光催化反應(yīng)過程中的原子運(yùn)動(dòng)和能量變化，模擬光生載流子與反應(yīng)物分子之間的相互作用過程，深入了解光催化反應(yīng)的微觀機(jī)理，為優(yōu)化光催化反應(yīng)條件提供理論依據(jù)。分析測試手段：X射線衍射（XRD）分析：使用XRD對制備的SrBi?Ti?O??樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，通過分析XRD圖譜中的衍射峰位置、強(qiáng)度和峰形，確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)、晶相組成和晶格參數(shù)，判斷是否成功制備出目標(biāo)產(chǎn)物以及是否存在雜質(zhì)相。掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）分析：利用SEM和TEM觀察樣品的微觀形貌和尺寸，分析樣品的顆粒大小、形狀、分散性以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究不同制備方法和改性策略對樣品形貌的影響，為解釋光催化性能提供直觀的結(jié)構(gòu)信息。X射線光電子能譜（XPS）分析：通過XPS對樣品表面的元素組成和化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析，確定樣品中各元素的含量以及元素的價(jià)態(tài)，研究元素?fù)诫s、表面修飾等對樣品表面化學(xué)環(huán)境的影響，了解光催化反應(yīng)過程中表面活性位點(diǎn)的變化。紫外-可見漫反射光譜（UV-VisDRS）分析：采用UV-VisDRS測量樣品的光吸收性能，獲取樣品的光吸收邊和禁帶寬度等信息，分析改性前后樣品光吸收范圍的變化，評估不同改性策略對拓寬SrBi?Ti?O??光吸收范圍的效果。光致發(fā)光光譜（PL）分析：利用PL光譜研究樣品在光激發(fā)下光生載流子的復(fù)合情況，通過分析PL光譜的強(qiáng)度和峰位，評估光生載流子的分離效率，判斷改性策略對抑制光生載流子復(fù)合的作用。電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析：通過EIS測試分析樣品在光催化反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移電阻和電容等電化學(xué)參數(shù)，評估光生載流子的傳輸性能，研究改性對提高光生載流子傳輸速率的影響。光催化活性測試：以常見的有機(jī)污染物（如亞甲基藍(lán)、羅丹明B、苯酚等）為目標(biāo)降解物，在模擬太陽光或特定波長光源照射下，測試SrBi?Ti?O??及其改性樣品的光催化降解性能，通過監(jiān)測污染物濃度隨時(shí)間的變化，計(jì)算光催化降解速率常數(shù)和降解效率，評估不同樣品的光催化活性。在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中，使用光催化反應(yīng)裝置，在光照條件下測試樣品的產(chǎn)氫速率，評估其在能源轉(zhuǎn)化方面的光催化性能。二、SrBi4Ti4O15的基本性質(zhì)與結(jié)構(gòu)2.1SrBi4Ti4O15的晶體結(jié)構(gòu)SrBi?Ti?O??屬于鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（Aurivillius結(jié)構(gòu)）的鐵電材料，其晶體結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的特征，對其光催化性能有著重要的影響。從晶體結(jié)構(gòu)來看，SrBi?Ti?O??的基本結(jié)構(gòu)是由四層鈣鈦礦層(SrBi?Ti?O??)2?和一層螢石結(jié)構(gòu)的鉍氧層(Bi?O?)2?沿c軸方向交替排列而成，其化學(xué)通式可表示為SrBi?Ti?O??。在鈣鈦礦層中，Ti??離子位于八面體的中心，被六個(gè)O2?離子所包圍，形成TiO?八面體結(jié)構(gòu)。這些TiO?八面體通過共頂點(diǎn)的方式相互連接，形成了三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Sr2?離子則填充在鈣鈦礦層的空隙中，起到平衡電荷和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。而鉍氧層(Bi?O?)2?則類似于夾心層，穿插在鈣鈦礦層之間。在鉍氧層中，Bi3?離子與O2?離子形成了特殊的配位結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)有著重要的影響。這種交替排列的結(jié)構(gòu)使得SrBi?Ti?O??具有明顯的各向異性。在晶體生長過程中，由于鉍氧層和鈣鈦礦層的結(jié)構(gòu)差異以及層間相互作用的影響，材料傾向于沿著層間方向生長，從而形成高比表面積的納米片形貌。這種納米片結(jié)構(gòu)不僅增加了材料的比表面積，提供了更多的活性位點(diǎn)，有利于光的吸收和污染物的吸附，還能促進(jìn)光生載流子的傳輸和分離。因?yàn)樵诙S納米片結(jié)構(gòu)中，光生載流子的傳輸路徑相對較短，減少了載流子在傳輸過程中的復(fù)合幾率，從而提高了光催化活性。從電子結(jié)構(gòu)角度分析，SrBi?Ti?O??的價(jià)帶能級主要由高度離散的Bi6s和O2p雜化軌道組成。這種高度離散的軌道能級結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，它更利于光生空穴的遷移。當(dāng)材料受到光激發(fā)時(shí)，價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，留下空穴。由于Bi6s和O2p雜化軌道的高度離散性，空穴在這種結(jié)構(gòu)中能夠更快速地遷移到材料表面，參與光催化氧化反應(yīng)，提高了光催化反應(yīng)的效率。此外，SrBi?Ti?O??是極性材料，存在本征偶極矩。其鈣鈦礦層(SrBi?Ti?O??)2?中的TiO?八面體存在畸變，在沿[100]方向有良好排列的畸變?nèi)∠?。由于材料的自發(fā)極化是累積的，因此可以沿著[100]方向產(chǎn)生巨大的極化。在光催化過程中，光生電子可以沿該方向極化場快速遷移至表面，實(shí)現(xiàn)載流子的有效分離。這種極化誘導(dǎo)的載流子分離機(jī)制，有效地減少了光生電子-空穴對的復(fù)合，提高了光催化過程中參與反應(yīng)的有效載流子數(shù)量，從而提升了光催化效率。當(dāng)SrBi?Ti?O??受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對。由于材料的晶體結(jié)構(gòu)特性，光生空穴可以借助Bi6s和O2p雜化軌道的高度離散性快速遷移到表面，而光生電子則在沿[100]方向的極化場作用下快速遷移至表面，分別與吸附在材料表面的反應(yīng)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在光催化降解有機(jī)污染物的過程中，光生空穴可以將有機(jī)污染物氧化為二氧化碳和水等小分子物質(zhì)，而光生電子則可以參與還原反應(yīng)，如將水中的溶解氧還原為超氧自由基等活性氧物種，進(jìn)一步促進(jìn)有機(jī)污染物的降解。2.2電子結(jié)構(gòu)與能帶特性SrBi?Ti?O??的電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)對其光催化性能起著至關(guān)重要的作用，深入研究這些特性有助于揭示其光催化反應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制。從電子結(jié)構(gòu)來看，SrBi?Ti?O??的價(jià)帶主要由Bi6s和O2p軌道雜化形成。Bi6s軌道具有相對較低的能量，與O2p軌道雜化后，形成了高度離散的價(jià)帶能級。這種高度離散的能級結(jié)構(gòu)使得價(jià)帶中的電子具有較高的局域性，有利于光生空穴的遷移。因?yàn)楣馍昭ㄔ谶@種離散的能級結(jié)構(gòu)中更容易找到遷移路徑，減少了與光生電子復(fù)合的幾率，從而提高了光生空穴參與光催化氧化反應(yīng)的效率。其導(dǎo)帶則主要由Ti3d軌道組成。Ti3d軌道具有一定的能量范圍，決定了導(dǎo)帶的位置和寬度。在光激發(fā)過程中，價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，形成光生電子-空穴對。由于導(dǎo)帶由Ti3d軌道組成，光生電子在導(dǎo)帶中的運(yùn)動(dòng)特性受到Ti3d軌道的影響。Ti3d軌道的電子云分布和能級特征決定了光生電子在導(dǎo)帶中的遷移能力和反應(yīng)活性。通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算，可以得到SrBi?Ti?O??的能帶結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明，SrBi?Ti?O??具有一定寬度的禁帶，其禁帶寬度決定了材料對光的吸收范圍和光催化活性。在光催化過程中，只有當(dāng)入射光的能量大于或等于材料的禁帶寬度時(shí)，才能激發(fā)價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對。由于SrBi?Ti?O??的禁帶寬度相對較大，其光吸收主要集中在紫外光區(qū)域，對可見光的吸收較弱，這限制了其對太陽光的利用效率。SrBi?Ti?O??的能帶結(jié)構(gòu)還決定了光生載流子的分離和傳輸效率。在光催化反應(yīng)中，光生電子和空穴需要快速分離并遷移到材料表面，才能參與氧化還原反應(yīng)。SrBi?Ti?O??的能帶結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置以及它們之間的能量差，影響著光生載流子的分離和傳輸。由于其晶體結(jié)構(gòu)的各向異性，光生載流子在不同方向上的傳輸特性也有所不同。沿著晶體的特定方向，如[100]方向，由于存在自發(fā)極化和內(nèi)建電場，光生電子可以在極化場的作用下快速遷移至表面，實(shí)現(xiàn)載流子的有效分離。而在其他方向上，光生載流子的傳輸可能會(huì)受到一定的阻礙，導(dǎo)致載流子的復(fù)合幾率增加。能帶結(jié)構(gòu)與光催化活性之間存在著密切的關(guān)系。合適的能帶位置和禁帶寬度可以使光生載流子具有足夠的能量參與反應(yīng)，同時(shí)保證光生電子和空穴的有效分離。如果能帶結(jié)構(gòu)不合理，例如禁帶寬度過大，會(huì)導(dǎo)致光吸收范圍窄，光生載流子產(chǎn)生效率低；而如果導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置不合適，可能會(huì)使光生載流子的分離和傳輸困難，增加復(fù)合幾率，從而降低光催化活性。2.3物理化學(xué)性質(zhì)SrBi?Ti?O??具有一系列獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)對其光催化性能產(chǎn)生著重要的影響。從壓電性來看，SrBi?Ti?O??屬于鉍層狀壓電陶瓷，具有顯著的壓電響應(yīng)，其壓電常數(shù)d33在13-28pC/N之間。這種壓電性源于其非中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)，在受到外部壓力作用時(shí)，材料內(nèi)部的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移，從而在晶體的兩端產(chǎn)生極化電荷，形成電場。在光催化過程中，壓電效應(yīng)與光催化效應(yīng)的耦合可以產(chǎn)生協(xié)同作用。當(dāng)材料受到光照產(chǎn)生光生電子-空穴對時(shí)，外部施加的壓力（如超聲等）可以通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電場，該電場能夠促進(jìn)光生電子和空穴的分離，減少它們的復(fù)合幾率。在超聲和可見光協(xié)同作用下，具有壓電性的SrBi?Ti?O??對四環(huán)素的降解率和礦化率分別達(dá)到了98%和78.64%，這表明壓電性能夠有效增強(qiáng)其光催化性能。SrBi?Ti?O??還是一種鐵電材料，具有鐵電性。在低于居里溫度Tc（550℃）時(shí)為斜方鐵電相，空間群為A21am；高于居里溫度Tc時(shí)為四方順電相，空間群為I4/mmm，也有報(bào)道在550-650℃會(huì)發(fā)生二次相變，向順電斜方相轉(zhuǎn)變（空間群為Amam）。鐵電性使得材料具有自發(fā)極化的特性，且極化方向可以隨外電場改變而變化。在光催化中，鐵電材料的自發(fā)極化可以產(chǎn)生內(nèi)建電場，光生電子和空穴在這個(gè)內(nèi)建電場的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的分離和定向遷移。沿SrBi?Ti?O??納米片的（100）方向存在強(qiáng)鐵電自發(fā)極化，從而實(shí)現(xiàn)了沿相反方向的有效體電荷分離，提高了光催化過程中載流子的分離效率，進(jìn)而提升光催化活性。在穩(wěn)定性方面，SrBi?Ti?O??表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。其結(jié)構(gòu)在高溫下不發(fā)生相變，能夠在高溫下保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能。在800℃下，其壓電系數(shù)d33仍然能夠保持在20pC/N左右，介電常數(shù)和介電損耗在溫度范圍內(nèi)變化較小，熱膨脹系數(shù)隨溫度變化不大。這種良好的穩(wěn)定性使得SrBi?Ti?O??在光催化應(yīng)用中能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作，尤其是在一些高溫或復(fù)雜的環(huán)境條件下，依然能夠保持其光催化性能。在處理高溫工業(yè)廢氣中的有機(jī)污染物時(shí)，SrBi?Ti?O??的穩(wěn)定性保證了其能夠持續(xù)有效地降解污染物，不會(huì)因?yàn)闇囟鹊纫蛩氐淖兓ス獯呋钚?。同時(shí)，其化學(xué)穩(wěn)定性也使其在不同的化學(xué)環(huán)境中具有較好的耐受性，不易被化學(xué)物質(zhì)腐蝕或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而改變其結(jié)構(gòu)和性能，為其在實(shí)際光催化應(yīng)用中的長期使用提供了保障。三、SrBi4Ti4O15光催化原理3.1光催化基本原理光催化技術(shù)作為一種重要的環(huán)境治理和能源轉(zhuǎn)化手段，其基本原理基于半導(dǎo)體材料在光照條件下產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)過程。當(dāng)能量大于或等于半導(dǎo)體禁帶寬度（E_g）的光子照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶（VB）中的電子會(huì)吸收光子能量，發(fā)生帶間躍遷，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶（CB），從而在價(jià)帶中留下帶正電荷的空穴（h^+），在導(dǎo)帶中產(chǎn)生帶負(fù)電荷的電子（e^-），即產(chǎn)生光生電子-空穴對。這一過程可表示為：\text{????ˉ????}+h\nu(\geqE_g)\longrightarrowe^-_{CB}+h^+_{VB}其中，h\nu表示光子能量，h為普朗克常量，\nu為光的頻率。光生載流子產(chǎn)生后，會(huì)經(jīng)歷遷移、復(fù)合等過程。在遷移過程中，光生電子和空穴會(huì)在電場作用下或者通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方式向半導(dǎo)體表面遷移。由于半導(dǎo)體內(nèi)部存在晶體缺陷、雜質(zhì)等因素，光生載流子在遷移過程中可能會(huì)發(fā)生散射，影響其遷移效率。同時(shí)，光生電子和空穴之間存在庫侖吸引力，它們有重新復(fù)合的趨勢。如果光生電子和空穴在遷移到表面之前發(fā)生復(fù)合，就會(huì)以熱或光能的形式將吸收的能量釋放，從而降低光催化效率。光生載流子的復(fù)合過程可分為輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。輻射復(fù)合是指電子和空穴復(fù)合時(shí)以發(fā)射光子的形式釋放能量；非輻射復(fù)合則是通過與晶格振動(dòng)相互作用，將能量以熱能的形式傳遞給晶格。當(dāng)光生電子和空穴遷移到半導(dǎo)體表面后，它們分別與表面吸附的物質(zhì)發(fā)生還原和氧化反應(yīng)。光生電子具有較強(qiáng)的還原性，能夠?qū)⑽皆诎雽?dǎo)體表面的氧化性物質(zhì)（如O_2）還原，形成具有強(qiáng)氧化性的活性物種，如超氧負(fù)離子自由基（O_2^?-）：O_2+e^-\longrightarrowO_2^a?￠-光生空穴則具有很強(qiáng)的氧化性，能夠?qū)⑽皆诎雽?dǎo)體表面的還原性物質(zhì)（如H_2O、OH^-）氧化，生成羥基自由基（?OH）：H_2O+h^+\longrightarrowa?￠OH+H^+OH^-+h^+\longrightarrowa?￠OH?OH和O_2^?-等活性物種具有很高的氧化還原電位，能夠與各種有機(jī)污染物發(fā)生反應(yīng)，將其逐步降解為二氧化碳、水和其他無害的小分子物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)光催化降解污染物的目的。從熱力學(xué)角度來看，光催化反應(yīng)需要滿足一定的熱力學(xué)條件。半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置決定了其氧化還原能力，只有當(dāng)反應(yīng)物的氧化還原電位與半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶電位相匹配時(shí)，光催化反應(yīng)才能自發(fā)進(jìn)行。以光催化降解有機(jī)污染物為例，有機(jī)污染物的氧化電位需要低于半導(dǎo)體價(jià)帶空穴的氧化電位，這樣空穴才能將有機(jī)污染物氧化；同時(shí)，電子受體（如O_2）的還原電位需要高于半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子的還原電位，電子才能將電子受體還原。從動(dòng)力學(xué)角度分析，光催化反應(yīng)速率受到多種因素的影響。光生載流子的產(chǎn)生速率、遷移速率、復(fù)合速率以及反應(yīng)物在半導(dǎo)體表面的吸附和解吸速率等都會(huì)對光催化反應(yīng)速率產(chǎn)生重要影響。提高光生載流子的產(chǎn)生速率、促進(jìn)其遷移并抑制其復(fù)合，以及增強(qiáng)反應(yīng)物在半導(dǎo)體表面的吸附，都有助于提高光催化反應(yīng)速率。3.2SrBi4Ti4O15的光催化機(jī)制SrBi?Ti?O??的光催化機(jī)制基于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，涉及光生載流子的產(chǎn)生、分離、傳輸以及與反應(yīng)物之間的氧化還原反應(yīng)等多個(gè)過程。當(dāng)能量大于或等于SrBi?Ti?O??禁帶寬度的光子照射到材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量，從由Bi6s和O2p雜化軌道組成的價(jià)帶躍遷到由Ti3d軌道組成的導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶中產(chǎn)生光生空穴，在導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生電子，形成光生電子-空穴對。由于SrBi?Ti?O??的價(jià)帶能級由高度離散的Bi6s和O2p雜化軌道組成，這種結(jié)構(gòu)使得光生空穴具有較高的遷移率，能夠在價(jià)帶中快速遷移。光生電子和空穴產(chǎn)生后，會(huì)在材料內(nèi)部進(jìn)行遷移。SrBi?Ti?O??是極性材料，存在本征偶極矩，其鈣鈦礦層中的TiO?八面體存在畸變，在沿[100]方向有良好排列的畸變?nèi)∠?，由于材料的自發(fā)極化是累積的，因此可以沿著[100]方向產(chǎn)生巨大的極化。在光催化過程中，光生電子可以沿該方向極化場快速遷移至表面，實(shí)現(xiàn)載流子的有效分離。這種極化誘導(dǎo)的載流子分離機(jī)制，有效地減少了光生電子-空穴對的復(fù)合，提高了光催化過程中參與反應(yīng)的有效載流子數(shù)量。在遷移過程中，光生電子和空穴也可能會(huì)發(fā)生復(fù)合。復(fù)合過程包括輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合，輻射復(fù)合是指電子和空穴復(fù)合時(shí)以發(fā)射光子的形式釋放能量；非輻射復(fù)合則是通過與晶格振動(dòng)相互作用，將能量以熱能的形式傳遞給晶格。為了提高光催化效率，需要抑制光生載流子的復(fù)合，例如通過摻雜、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等方式，引入雜質(zhì)能級或改變材料的電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，減少復(fù)合幾率。當(dāng)光生電子和空穴遷移到SrBi?Ti?O??表面后，會(huì)與吸附在表面的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。光生電子具有較強(qiáng)的還原性，能夠?qū)⑽皆诒砻娴难趸晕镔|(zhì)（如O_2）還原，形成超氧負(fù)離子自由基（O_2^?-）：O_2+e^-\longrightarrowO_2^a?￠-光生空穴則具有很強(qiáng)的氧化性，能夠?qū)⑽皆诒砻娴倪€原性物質(zhì)（如H_2O、OH^-）氧化，生成羥基自由基（?OH）：H_2O+h^+\longrightarrowa?￠OH+H^+OH^-+h^+\longrightarrowa?￠OH?OH和O_2^?-等活性物種具有很高的氧化還原電位，能夠與各種有機(jī)污染物發(fā)生反應(yīng)，將其逐步降解為二氧化碳、水和其他無害的小分子物質(zhì)。在光催化降解亞甲基藍(lán)的過程中，?OH和O_2^?-等活性物種可以攻擊亞甲基藍(lán)分子的化學(xué)鍵，使其發(fā)生斷裂和分解，最終實(shí)現(xiàn)對亞甲基藍(lán)的降解。在光催化水分解制氫的反應(yīng)中，光生電子在導(dǎo)帶中遷移到表面后，會(huì)與水中的氫離子（H^+）發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣（H_2）：2H^++2e^-\longrightarrowH_2\uparrow而光生空穴則與水反應(yīng)生成氧氣（O_2）和氫離子：2H_2O+4h^+\longrightarrowO_2\uparrow+4H^+從而實(shí)現(xiàn)光催化水分解制氫的過程。3.3電荷轉(zhuǎn)移與分離過程在SrBi?Ti?O??的光催化過程中，電荷轉(zhuǎn)移與分離是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接影響著光催化活性和效率。當(dāng)SrBi?Ti?O??受到能量大于其禁帶寬度的光照射時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對。此時(shí)，光生電子和空穴處于激發(fā)態(tài)，具有較高的能量，它們會(huì)在材料內(nèi)部進(jìn)行遷移。由于SrBi?Ti?O??晶體結(jié)構(gòu)的各向異性以及其鐵電特性，光生載流子的遷移和分離過程表現(xiàn)出獨(dú)特的機(jī)制。從晶體結(jié)構(gòu)角度來看，SrBi?Ti?O??由四層鈣鈦礦層(SrBi?Ti?O??)2?和一層螢石結(jié)構(gòu)的鉍氧層(Bi?O?)2?交替排列而成。這種結(jié)構(gòu)使得材料在沿[100]方向具有特殊的電學(xué)性質(zhì)。沿SrBi?Ti?O??納米片的（100）方向存在強(qiáng)鐵電自發(fā)極化，這種自發(fā)極化產(chǎn)生的內(nèi)建電場能夠?qū)馍娮雍涂昭óa(chǎn)生作用，促使它們向相反的方向遷移，從而實(shí)現(xiàn)有效的體電荷分離。光生電子在極化電場的作用下，能夠快速地遷移到材料表面，參與還原反應(yīng)；而光生空穴則向相反方向遷移，參與氧化反應(yīng)。這種極化誘導(dǎo)的電荷分離機(jī)制，大大提高了光生載流子的分離效率，減少了它們的復(fù)合幾率。材料中的缺陷也會(huì)對電荷轉(zhuǎn)移和分離產(chǎn)生重要影響。以氧空位為例，當(dāng)SrBi?Ti?O??中存在氧空位時(shí)，氧原子的缺失會(huì)在空位周圍產(chǎn)生富電子狀態(tài)，形成局部電場。這個(gè)局部電場可以改變光生載流子的遷移路徑，促進(jìn)電荷向催化位點(diǎn)遷移。理論計(jì)算表明，氧空位的存在能夠顯著增強(qiáng)SrBi?Ti?O??的自極化和內(nèi)部電場，從而增強(qiáng)界面電子轉(zhuǎn)移過程，提高光催化活性。在光催化固氮反應(yīng)中，氧空位修飾的SrBi?Ti?O??納米片能夠更有效地吸附氮?dú)夥肿?，并促進(jìn)光生電子與氮?dú)夥肿拥姆磻?yīng)，提高氨的生成速率。然而，在實(shí)際的光催化過程中，光生載流子的電荷轉(zhuǎn)移和分離效率仍然受到一些因素的限制。晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)、雜質(zhì)等缺陷可能會(huì)成為光生載流子的復(fù)合中心，導(dǎo)致光生電子和空穴在遷移過程中發(fā)生復(fù)合，降低參與光催化反應(yīng)的載流子數(shù)量。材料的表面狀態(tài)也會(huì)影響電荷轉(zhuǎn)移和分離效率。如果材料表面存在吸附雜質(zhì)或氧化物層，可能會(huì)阻礙光生載流子的遷移，增加復(fù)合幾率。四、影響SrBi4Ti4O15光催化性能的因素4.1材料自身因素4.1.1晶體結(jié)構(gòu)與晶型SrBi?Ti?O??的晶體結(jié)構(gòu)和晶型對其光催化性能有著至關(guān)重要的影響。其晶體結(jié)構(gòu)屬于鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，由四層鈣鈦礦層(SrBi?Ti?O??)2?和一層螢石結(jié)構(gòu)的鉍氧層(Bi?O?)2?沿c軸方向交替排列而成。這種獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)賦予了材料許多特殊的性質(zhì)，進(jìn)而影響其光催化性能。不同的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部的電子云分布和原子間相互作用不同，從而影響光生載流子的產(chǎn)生、分離和傳輸。在SrBi?Ti?O??中，由于鉍氧層和鈣鈦礦層的交替排列，形成了明顯的各向異性。這種各向異性使得材料在不同方向上的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)存在差異。沿[100]方向，由于鈣鈦礦層中TiO?八面體的畸變和自發(fā)極化的累積，形成了強(qiáng)鐵電自發(fā)極化，這有利于光生電子沿該方向極化場快速遷移至表面，實(shí)現(xiàn)載流子的有效分離。這種極化誘導(dǎo)的電荷分離機(jī)制大大提高了光生載流子的分離效率，減少了它們的復(fù)合幾率，從而提高了光催化活性。晶型的差異也會(huì)對光催化性能產(chǎn)生顯著影響。不同晶型的SrBi?Ti?O??，其晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列方式、鍵長、鍵角等參數(shù)會(huì)有所不同，進(jìn)而影響材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在不同的制備條件下，可以得到不同晶型的SrBi?Ti?O??，如正交晶型和四方晶型等。正交晶型的SrBi?Ti?O??在某些光催化反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的活性，這可能是由于其晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列方式更有利于光生載流子的傳輸和分離。而四方晶型的SrBi?Ti?O??可能在光吸收或表面吸附性能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，從而影響其光催化性能。理論計(jì)算結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了晶體結(jié)構(gòu)和晶型對光催化性能的影響。通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算不同晶型SrBi?Ti?O??的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電荷密度分布等參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)不同晶型的材料在電子結(jié)構(gòu)上存在明顯差異。正交晶型的SrBi?Ti?O??其導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置以及禁帶寬度與四方晶型有所不同，這會(huì)導(dǎo)致光生載流子的產(chǎn)生和遷移特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響光催化活性。計(jì)算結(jié)果還表明，晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列方式和鍵的性質(zhì)會(huì)影響光生載流子的散射和復(fù)合幾率，從而對光催化性能產(chǎn)生影響。4.1.2形貌與尺寸SrBi?Ti?O??的形貌和尺寸對其光催化性能有著顯著的影響，不同的形貌和尺寸會(huì)導(dǎo)致材料的比表面積、吸附性能以及光生載流子的傳輸特性等發(fā)生變化，進(jìn)而影響光催化活性。從形貌角度來看，常見的SrBi?Ti?O??形貌有納米片、納米顆粒、納米棒等。納米片結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??由于其二維的平面結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積。較大的比表面積使得材料能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于光的吸收和污染物的吸附。在光催化降解有機(jī)污染物的實(shí)驗(yàn)中，納米片結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??能夠更充分地與有機(jī)污染物接觸，增加了污染物在材料表面的吸附量，從而提高了光催化反應(yīng)的效率。納米片結(jié)構(gòu)還具有獨(dú)特的電子傳輸特性。由于其平面結(jié)構(gòu)，光生載流子在納米片內(nèi)的傳輸路徑相對較短，減少了載流子在傳輸過程中的復(fù)合幾率，有利于光生載流子快速遷移到材料表面參與光催化反應(yīng)。納米顆粒狀的SrBi?Ti?O??則具有較小的尺寸和較高的分散性。較小的尺寸使得光生載流子的擴(kuò)散距離縮短，有利于提高載流子的分離效率。在一些對光生載流子擴(kuò)散速度要求較高的光催化反應(yīng)中，納米顆粒狀的SrBi?Ti?O??能夠表現(xiàn)出較好的光催化性能。其較高的分散性也使得材料在反應(yīng)體系中能夠更均勻地分布，增加了與反應(yīng)物的接觸機(jī)會(huì)，提高了光催化反應(yīng)的活性。納米棒結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??具有一維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在光生載流子傳輸方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。光生載流子可以沿著納米棒的軸向進(jìn)行快速傳輸，減少了載流子在傳輸過程中的散射和復(fù)合。在一些需要長距離傳輸光生載流子的光催化反應(yīng)中，納米棒結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??能夠發(fā)揮其優(yōu)勢，提高光催化效率。納米棒的長徑比也會(huì)影響其光催化性能，合適的長徑比可以優(yōu)化光生載流子的傳輸和表面反應(yīng)活性。材料的尺寸對光催化性能也有著重要的影響。隨著SrBi?Ti?O??尺寸的減小，其比表面積會(huì)增大，表面原子所占比例增加，表面活性位點(diǎn)增多，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)SrBi?Ti?O??的尺寸減小到納米級別時(shí)，量子尺寸效應(yīng)開始顯現(xiàn)。量子尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，禁帶寬度增大，光吸收范圍發(fā)生改變，從而影響光催化性能。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SrBi?Ti?O??的粒徑減小到一定程度時(shí)，其對可見光的吸收能力增強(qiáng)，光催化活性得到提高。尺寸的減小也可能會(huì)帶來一些負(fù)面影響，如納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚后的顆粒會(huì)減小比表面積，降低光催化活性。4.1.3缺陷與雜質(zhì)SrBi?Ti?O??中的缺陷和雜質(zhì)對其光催化性能有著復(fù)雜而重要的影響，它們能夠改變材料的電子結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移特性，進(jìn)而影響光催化反應(yīng)的效率和選擇性。氧空位是SrBi?Ti?O??中常見的一種缺陷。當(dāng)材料中存在氧空位時(shí)，氧原子的缺失會(huì)在空位周圍產(chǎn)生富電子狀態(tài)，形成局部電場。這個(gè)局部電場可以改變光生載流子的遷移路徑，促進(jìn)電荷向催化位點(diǎn)遷移。理論計(jì)算表明，氧空位的存在能夠顯著增強(qiáng)SrBi?Ti?O??的自極化和內(nèi)部電場，從而增強(qiáng)界面電子轉(zhuǎn)移過程，提高光催化活性。在光催化固氮反應(yīng)中，氧空位修飾的SrBi?Ti?O??納米片能夠更有效地吸附氮?dú)夥肿樱⒋龠M(jìn)光生電子與氮?dú)夥肿拥姆磻?yīng)，提高氨的生成速率。然而，過多的氧空位也可能會(huì)成為光生載流子的復(fù)合中心，導(dǎo)致光生電子和空穴在遷移過程中發(fā)生復(fù)合，降低參與光催化反應(yīng)的載流子數(shù)量，從而降低光催化活性。除了氧空位，其他類型的缺陷如位錯(cuò)、晶界等也會(huì)對光催化性能產(chǎn)生影響。位錯(cuò)是晶體中原子的排列缺陷，它會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的局部畸變，影響光生載流子的傳輸。位錯(cuò)周圍的應(yīng)力場會(huì)改變電子的能量狀態(tài)，使得光生載流子在傳輸過程中更容易發(fā)生散射和復(fù)合，降低光催化效率。晶界是不同晶粒之間的界面，晶界處的原子排列不規(guī)則，存在較多的懸掛鍵和缺陷態(tài)。這些缺陷態(tài)可以作為光生載流子的捕獲中心，影響載流子的遷移和復(fù)合。在多晶的SrBi?Ti?O??材料中，晶界的存在會(huì)導(dǎo)致光生載流子在晶界處的傳輸受阻，增加復(fù)合幾率。如果能夠合理地控制晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，例如通過界面修飾等方法，可以減少晶界對光生載流子的負(fù)面影響，甚至利用晶界的特性來促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，提高光催化性能。雜質(zhì)的引入也會(huì)對SrBi?Ti?O??的光催化性能產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)雜質(zhì)原子進(jìn)入SrBi?Ti?O??的晶格中時(shí)，會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)。如果雜質(zhì)原子的價(jià)態(tài)與被取代的原子不同，會(huì)引入額外的電子或空穴，從而改變材料的導(dǎo)電性和光生載流子的濃度。摻雜稀土元素（如La、Ce等）可以改變SrBi?Ti?O??的電子結(jié)構(gòu)，減小禁帶寬度，拓寬光吸收范圍，增強(qiáng)對可見光的響應(yīng)。摻雜過渡金屬元素（如Fe、Co、Ni等）可以引入新的能級，調(diào)節(jié)光生載流子的傳輸和復(fù)合過程，提升其對特定污染物的降解效率。然而，雜質(zhì)的引入也可能會(huì)帶來一些負(fù)面影響。如果雜質(zhì)原子形成的雜質(zhì)能級位于SrBi?Ti?O??的禁帶中，且靠近導(dǎo)帶或價(jià)帶，可能會(huì)成為光生載流子的復(fù)合中心，增加復(fù)合幾率，降低光催化活性。雜質(zhì)的引入還可能會(huì)影響材料的晶體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響光催化性能。4.2外部因素4.2.1光源與光強(qiáng)光源的類型和光強(qiáng)是影響SrBi?Ti?O??光催化性能的重要外部因素，它們直接關(guān)系到光生載流子的產(chǎn)生效率以及光催化反應(yīng)的速率和效果。不同類型的光源，如紫外光、可見光等，其光子能量和波長分布存在差異，這會(huì)顯著影響SrBi?Ti?O??對光的吸收和利用。SrBi?Ti?O??是一種具有一定禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，其光吸收主要集中在紫外光區(qū)域。當(dāng)使用紫外光作為光源時(shí)，由于紫外光的光子能量較高，能夠滿足SrBi?Ti?O??的光激發(fā)條件，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對，從而引發(fā)光催化反應(yīng)。在一些實(shí)驗(yàn)中，以波長為254nm的紫外殺菌燈作為光源，對SrBi?Ti?O??催化降解亞甲基藍(lán)的性能進(jìn)行測試，結(jié)果表明，在紫外光照射下，SrBi?Ti?O??能夠有效地降解亞甲基藍(lán)，隨著光照時(shí)間的延長，亞甲基藍(lán)的濃度逐漸降低。然而，由于紫外光僅占太陽光強(qiáng)度的5％左右，為了提高SrBi?Ti?O??對太陽光的利用率，使其能夠在可見光下也發(fā)揮光催化作用，研究人員進(jìn)行了大量的改性研究。通過元素?fù)诫s、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等方法，可以拓寬SrBi?Ti?O??的光吸收范圍，使其能夠響應(yīng)可見光。在可見光區(qū)域，不同波長的光對SrBi?Ti?O??光催化性能的影響也有所不同。藍(lán)光、綠光、紅光等不同波長的可見光，其光子能量和與材料的相互作用機(jī)制存在差異。一些研究表明，在可見光照射下，改性后的SrBi?Ti?O??對某些有機(jī)污染物的降解效果也較為明顯。將SrBi?Ti?O??與g-C?N?復(fù)合構(gòu)建異質(zhì)結(jié)后，在可見光（波長范圍400-760nm）照射下，對羅丹明B的降解效率明顯提高，這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)的形成拓寬了光吸收范圍，增強(qiáng)了對可見光的響應(yīng)。光強(qiáng)對SrBi?Ti?O??光催化性能的影響也十分顯著。一般來說，光強(qiáng)與光生載流子的產(chǎn)生速率密切相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，光強(qiáng)越高，單位時(shí)間內(nèi)照射到材料表面的光子數(shù)量越多，產(chǎn)生的光生電子-空穴對數(shù)量也就越多，從而提高了光催化反應(yīng)的速率。根據(jù)光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，光生載流子的產(chǎn)生速率與光強(qiáng)的平方根成正比。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)逐漸增加光強(qiáng)時(shí)，可以觀察到SrBi?Ti?O??對有機(jī)污染物的降解速率明顯加快。在光催化降解甲基橙的實(shí)驗(yàn)中，隨著光強(qiáng)從10mW/cm2增加到30mW/cm2，甲基橙的降解速率常數(shù)從0.01min?1增加到0.03min?1。光強(qiáng)過高也可能會(huì)帶來一些負(fù)面影響。當(dāng)光強(qiáng)超過一定閾值時(shí)，光生載流子的復(fù)合幾率會(huì)增加。這是因?yàn)檫^高的光強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致光生電子和空穴的濃度過高，它們之間的相互作用增強(qiáng)，更容易發(fā)生復(fù)合，從而降低了參與光催化反應(yīng)的有效載流子數(shù)量，使光催化活性下降。過高的光強(qiáng)還可能導(dǎo)致材料表面溫度升高，引發(fā)熱效應(yīng)，影響材料的結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)而對光催化反應(yīng)產(chǎn)生不利影響。4.2.2反應(yīng)體系pH值反應(yīng)體系的pH值是影響SrBi?Ti?O??光催化性能的另一個(gè)重要外部因素，它通過多種機(jī)制對光催化反應(yīng)產(chǎn)生影響，包括對催化劑表面電荷、反應(yīng)物吸附以及光生載流子的遷移和反應(yīng)活性等方面。pH值的變化會(huì)顯著影響SrBi?Ti?O??催化劑表面的電荷性質(zhì)。在不同的pH值條件下，催化劑表面的官能團(tuán)會(huì)發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化反應(yīng)，從而改變表面電荷分布。當(dāng)反應(yīng)體系的pH值較低時(shí)，溶液中的H?濃度較高，催化劑表面的羥基（-OH）會(huì)發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)，使表面帶正電荷。相反，當(dāng)pH值較高時(shí)，溶液中的OH?濃度較高，催化劑表面的羥基會(huì)發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)，使表面帶負(fù)電荷。這種表面電荷性質(zhì)的改變會(huì)影響光生載流子的遷移和分離效率。表面帶正電荷時(shí)，有利于光生空穴的遷移，因?yàn)榭昭◣д?，與表面正電荷相互排斥，能夠促使空穴快速遷移到表面參與氧化反應(yīng)；而表面帶負(fù)電荷時(shí)，有利于光生電子的遷移，電子帶負(fù)電，與表面負(fù)電荷相互排斥，能夠加速電子遷移到表面參與還原反應(yīng)。反應(yīng)物在催化劑表面的吸附行為也受到pH值的顯著影響。不同的反應(yīng)物在不同的pH值條件下，其存在形式和電荷性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，從而影響它們與催化劑表面的相互作用。在光催化降解有機(jī)污染物的過程中，許多有機(jī)污染物在不同pH值下會(huì)發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化反應(yīng)，改變其分子結(jié)構(gòu)和電荷分布。對于一些酸性有機(jī)污染物，在酸性條件下，它們可能以分子形式存在，而在堿性條件下，則可能以離子形式存在。這種存在形式的變化會(huì)影響它們與催化劑表面的吸附親和力。在酸性條件下，酸性有機(jī)污染物以分子形式存在，與表面帶正電荷的SrBi?Ti?O??之間的靜電相互作用較弱，吸附量相對較少；而在堿性條件下，酸性有機(jī)污染物以離子形式存在，與表面帶負(fù)電荷的催化劑之間的靜電吸引作用增強(qiáng)，吸附量增加，從而有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)體系的pH值還會(huì)影響光生載流子的反應(yīng)活性。在不同的pH值條件下，光生載流子與反應(yīng)物之間的反應(yīng)速率和反應(yīng)路徑可能會(huì)發(fā)生變化。在酸性條件下，光生空穴更容易與溶液中的水分子或氫氧根離子反應(yīng)，生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基（?OH），從而促進(jìn)有機(jī)污染物的降解。而在堿性條件下，光生電子更容易與溶液中的溶解氧反應(yīng)，生成超氧負(fù)離子自由基（O_2^?-），這些活性氧物種在光催化反應(yīng)中起著重要的作用。在實(shí)際的光催化反應(yīng)中，pH值對SrBi?Ti?O??光催化性能的影響較為復(fù)雜。在不同的光催化反應(yīng)體系中，存在一個(gè)最佳的pH值范圍，使得光催化活性達(dá)到最高。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)反應(yīng)體系的pH值為7時(shí)，SrBi?Ti?O??對羅丹明B的降解效率最高。這是因?yàn)樵趐H值為7時(shí)，催化劑表面電荷、反應(yīng)物吸附以及光生載流子的反應(yīng)活性等因素達(dá)到了一個(gè)較為平衡的狀態(tài)，有利于光催化反應(yīng)的高效進(jìn)行。4.2.3溫度與壓力溫度和壓力作為外部條件，對SrBi?Ti?O??光催化反應(yīng)的進(jìn)程和效率有著重要的影響，它們通過多種機(jī)制作用于光催化反應(yīng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括反應(yīng)速率、反應(yīng)平衡以及光生載流子的行為等方面。溫度對SrBi?Ti?O??光催化反應(yīng)速率有著顯著的影響。從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來看，溫度升高通常會(huì)加快化學(xué)反應(yīng)速率。在光催化反應(yīng)中，溫度升高可以增加反應(yīng)物分子的熱運(yùn)動(dòng)能量，使它們更容易克服反應(yīng)的活化能，從而提高反應(yīng)速率。溫度升高還可以促進(jìn)光生載流子的遷移和擴(kuò)散，減少載流子的復(fù)合幾率。在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，SrBi?Ti?O??光催化降解有機(jī)污染物的速率會(huì)逐漸增加。在光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度從25℃升高到40℃時(shí)，苯酚的降解速率常數(shù)從0.02min?1增加到0.035min?1。溫度過高也可能對光催化反應(yīng)產(chǎn)生不利影響。過高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致光生載流子的熱激發(fā)加劇，增加它們的復(fù)合幾率。高溫還可能引起催化劑表面的結(jié)構(gòu)變化，如晶格畸變、活性位點(diǎn)的失活等，從而降低光催化活性。如果溫度過高，SrBi?Ti?O??的晶體結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致其電子結(jié)構(gòu)和光催化性能受到影響。在某些情況下，溫度過高還可能引發(fā)副反應(yīng)的發(fā)生，影響光催化反應(yīng)的選擇性。壓力對SrBi?Ti?O??光催化反應(yīng)的影響相對較為復(fù)雜，且研究相對較少。在一些氣相光催化反應(yīng)中，壓力的變化會(huì)影響反應(yīng)物分子在催化劑表面的吸附和脫附過程。增加壓力可以提高反應(yīng)物分子在催化劑表面的濃度，從而增加反應(yīng)速率。在光催化氧化揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的反應(yīng)中，適當(dāng)增加反應(yīng)體系的壓力，可以使VOCs分子更緊密地吸附在SrBi?Ti?O??表面，增加它們與光生載流子的接觸機(jī)會(huì)，提高光催化氧化的效率。壓力的變化還可能影響光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程。在高壓條件下，分子間的碰撞頻率增加，可能會(huì)影響光生載流子的散射和復(fù)合幾率。壓力還可能對催化劑的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響光催化性能。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，在高壓條件下，SrBi?Ti?O??的能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生微小的變化，這可能會(huì)導(dǎo)致光生載流子的遷移和反應(yīng)活性發(fā)生改變。在實(shí)際的光催化應(yīng)用中，溫度和壓力通常是相互關(guān)聯(lián)的因素。在一些工業(yè)廢氣處理過程中，反應(yīng)體系的溫度和壓力可能會(huì)同時(shí)發(fā)生變化。因此，需要綜合考慮溫度和壓力對SrBi?Ti?O??光催化性能的影響，尋找最佳的反應(yīng)條件，以提高光催化反應(yīng)的效率和選擇性。五、SrBi4Ti4O15光催化性能的提升策略5.1元素?fù)诫s元素?fù)诫s是一種有效提升SrBi?Ti?O??光催化性能的策略，通過向SrBi?Ti?O??晶格中引入雜質(zhì)原子，能夠改變其晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及光生載流子的行為，從而對光催化性能產(chǎn)生顯著影響。5.1.1金屬離子摻雜金屬離子摻雜是元素?fù)诫s的重要方式之一，不同價(jià)態(tài)和種類的金屬離子對SrBi?Ti?O??光催化性能的影響機(jī)制各異。高價(jià)陽離子摻雜：當(dāng)高價(jià)陽離子（如Nb??、Mo??等）摻雜SrBi?Ti?O??時(shí)，由于其價(jià)態(tài)高于被取代的離子（如Ti??），為了保持電中性，材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列變化。高價(jià)陽離子的引入會(huì)導(dǎo)致氧空位濃度的降低，因?yàn)楦邇r(jià)陽離子的電荷數(shù)多，對氧離子的吸引力更強(qiáng)，使得氧離子更穩(wěn)定地存在于晶格中，減少了氧空位的形成。這種氧空位濃度的降低對光催化性能有著積極的影響。氧空位在材料中可能會(huì)成為光生載流子的復(fù)合中心，減少氧空位可以降低光生電子-空穴對的復(fù)合幾率，從而提高光催化活性。研究表明，適量的Nb??摻雜SrBi?Ti?O??，當(dāng)摻雜量為0.03時(shí)，剩余極化（2P）達(dá)到極大值，比未摻雜時(shí)增大60％以上，同時(shí)保持了良好的熱穩(wěn)定性能。這是因?yàn)檠蹩瘴粷舛鹊慕档?，使其對鐵電疇的釘扎力減弱，可反轉(zhuǎn)的疇的數(shù)目增多，增大了樣品的剩余極化值；另一方面，摻雜使SrBi?Ti?O??的B位周圍的電荷有序性與結(jié)構(gòu)有序性降低，阻礙了氧空位在疇壁處的聚集，使樣品的鐵電性能有了明顯的提高，進(jìn)而提高了光催化性能。等價(jià)陽離子摻雜：等價(jià)陽離子（如Zr??）摻雜SrBi?Ti?O??時(shí)，雖然不會(huì)像高價(jià)陽離子那樣改變材料的電荷平衡，但也會(huì)對材料的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響。等價(jià)陽離子的離子半徑與被取代離子的差異會(huì)導(dǎo)致晶格畸變。當(dāng)Zr??取代Ti??時(shí)，由于Zr??的離子半徑與Ti??不同，會(huì)使晶格發(fā)生一定程度的畸變。這種晶格畸變會(huì)影響光生載流子的傳輸和復(fù)合過程。適量的Zr??摻雜在一定程度上提高了SrBi?Ti?O??的剩余極化（2P），但其提高的幅度遠(yuǎn)小于高價(jià)陽離子摻雜。這說明氧空位濃度的降低并不是提高剩余極化值的唯一因素，晶格畸變也是一個(gè)重要的影響因素。晶格畸變可能會(huì)改變材料內(nèi)部的電子云分布，影響光生載流子的遷移路徑和散射幾率，從而對光催化性能產(chǎn)生影響。低價(jià)陽離子摻雜：在SrBi?Ti?O??的B位用低價(jià)陽離子（如Fe3?）摻雜時(shí)，為了保持電中性，除了B位的離子替換，還會(huì)伴隨A位離子的變化，如將A位的Sr2?離子用Bi3?取代。這種摻雜方式會(huì)使材料同時(shí)具有鐵電和鐵磁性能，如成功制備的Bi?Ti?FeO??（BFT）鐵電鐵磁材料。在光催化過程中，鐵磁性的引入可能會(huì)與光催化效應(yīng)產(chǎn)生協(xié)同作用。鐵磁性材料在外加磁場的作用下，其內(nèi)部的電子自旋狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，這種變化可能會(huì)影響光生載流子的行為，如改變光生載流子的遷移方向和復(fù)合幾率。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，具有鐵磁性的光催化劑在磁場輔助下，光催化活性得到了提高，這可能是由于磁場對光生載流子的調(diào)控作用，使得光生載流子能夠更有效地參與光催化反應(yīng)。5.1.2非金屬離子摻雜非金屬離子摻雜也是改善SrBi?Ti?O??光催化性能的重要手段，常見的非金屬離子摻雜包括N、S、F等元素的摻雜，它們通過獨(dú)特的機(jī)制影響材料的光催化性能。氮摻雜：氮原子的外層電子結(jié)構(gòu)與氧原子有一定的相似性，當(dāng)?shù)訐诫s進(jìn)入SrBi?Ti?O??晶格時(shí)，會(huì)取代部分氧原子的位置。由于氮的電負(fù)性與氧不同，這種取代會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)。氮的2p軌道與氧的2p軌道能級存在差異，氮摻雜后會(huì)在SrBi?Ti?O??的價(jià)帶上方引入新的能級，這些新能級能夠吸收能量較低的光子，從而拓展材料的光吸收范圍至可見光區(qū)域。氮摻雜還會(huì)影響光生載流子的復(fù)合過程。引入的新能級可以作為光生載流子的陷阱，延長光生載流子的壽命，抑制它們的復(fù)合，提高光生載流子參與光催化反應(yīng)的幾率。在一些實(shí)驗(yàn)中，氮摻雜的SrBi?Ti?O??對可見光的吸收明顯增強(qiáng)，在可見光照射下對有機(jī)污染物的降解效率顯著提高。硫摻雜：硫原子的半徑比氧原子大，當(dāng)硫摻雜進(jìn)入SrBi?Ti?O??晶格時(shí)，會(huì)引起晶格畸變。這種晶格畸變會(huì)改變材料內(nèi)部的電子云分布，影響光生載流子的傳輸特性。硫摻雜還會(huì)改變材料的表面性質(zhì)，增強(qiáng)材料對某些反應(yīng)物的吸附能力。在光催化降解有機(jī)污染物的過程中，硫摻雜的SrBi?Ti?O??能夠更有效地吸附有機(jī)污染物分子，使其在材料表面富集，增加了光生載流子與反應(yīng)物的接觸機(jī)會(huì)，從而提高光催化反應(yīng)速率。理論計(jì)算表明，硫摻雜可以在SrBi?Ti?O??的禁帶中引入雜質(zhì)能級，降低禁帶寬度，增強(qiáng)對可見光的吸收能力，進(jìn)一步提高光催化活性。氟摻雜：氟原子具有較高的電負(fù)性，氟摻雜進(jìn)入SrBi?Ti?O??晶格后，會(huì)使材料表面的電子云密度發(fā)生變化，增強(qiáng)材料表面的酸性。這種表面酸性的增強(qiáng)有利于吸附堿性的有機(jī)污染物，提高材料對這類污染物的光催化降解效率。氟摻雜還可以改善材料的晶體結(jié)構(gòu)，減少晶體缺陷，從而降低光生載流子的復(fù)合幾率。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，氟摻雜的SrBi?Ti?O??在光催化降解亞甲基藍(lán)等堿性染料時(shí)，表現(xiàn)出比未摻雜樣品更高的降解效率，這與氟摻雜對材料表面性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)的改善密切相關(guān)。5.2復(fù)合與改性將SrBi?Ti?O??與其他材料復(fù)合或進(jìn)行改性是提升其光催化性能的重要策略，通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、與碳材料復(fù)合等方式，可以充分利用不同材料的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)性能的協(xié)同提升。5.2.1構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是一種廣泛應(yīng)用且有效的提升SrBi?Ti?O??光催化性能的方法，通過與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，能夠在界面處產(chǎn)生獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，從而顯著影響光催化過程。當(dāng)SrBi?Ti?O??與TiO?復(fù)合構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于兩種材料的能帶結(jié)構(gòu)存在差異，在異質(zhì)結(jié)界面處會(huì)形成內(nèi)建電場。SrBi?Ti?O??的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置與TiO?不同，在光激發(fā)下，SrBi?Ti?O??產(chǎn)生的光生電子會(huì)從其導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶，而光生空穴則從TiO?的價(jià)帶轉(zhuǎn)移到SrBi?Ti?O??的價(jià)帶。這種電荷轉(zhuǎn)移過程是由內(nèi)建電場驅(qū)動(dòng)的，內(nèi)建電場的存在使得光生電子和空穴能夠快速分離，減少了它們在各自材料內(nèi)部的復(fù)合幾率。在可見光照射下，SrBi?Ti?O??/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化劑對亞甲基藍(lán)的降解效率明顯高于單一的SrBi?Ti?O??或TiO?。這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)的形成拓寬了光吸收范圍，同時(shí)增強(qiáng)了光生載流子的分離和傳輸效率，使得更多的光生載流子能夠遷移到材料表面參與光催化反應(yīng)，從而提高了對亞甲基藍(lán)的降解能力。與g-C?N?復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)也能顯著提升SrBi?Ti?O??的光催化性能。g-C?N?是一種具有獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的半導(dǎo)體材料，其與SrBi?Ti?O??復(fù)合后，在異質(zhì)結(jié)界面處同樣會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。g-C?N?的價(jià)帶和導(dǎo)帶位置與SrBi?Ti?O??匹配，在光激發(fā)下，光生電子和空穴能夠在兩種材料之間進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)移和分離。在可見光照射下，SrBi?Ti?O??/g-C?N?異質(zhì)結(jié)光催化劑對羅丹明B的降解效率大幅提高。這是因?yàn)間-C?N?能夠吸收可見光，拓寬了光吸收范圍，同時(shí)異質(zhì)結(jié)界面處的電荷轉(zhuǎn)移和分離機(jī)制，使得光生載流子的利用率提高，增強(qiáng)了對羅丹明B的降解活性。不同類型的異質(zhì)結(jié)對光催化性能的影響存在差異。Ⅱ型異質(zhì)結(jié)是一種常見的異質(zhì)結(jié)類型，在Ⅱ型異質(zhì)結(jié)中，兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置呈交錯(cuò)排列。當(dāng)SrBi?Ti?O??與其他半導(dǎo)體形成Ⅱ型異質(zhì)結(jié)時(shí)，光生電子和空穴會(huì)分別轉(zhuǎn)移到不同材料的導(dǎo)帶和價(jià)帶，從而實(shí)現(xiàn)有效的分離。這種異質(zhì)結(jié)能夠提高光生載流子的壽命，增強(qiáng)光催化活性。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，SrBi?Ti?O??與某些半導(dǎo)體形成的Ⅱ型異質(zhì)結(jié)，在光催化降解有機(jī)污染物時(shí)，降解速率常數(shù)比單一的SrBi?Ti?O??提高了數(shù)倍。Z型異質(zhì)結(jié)則具有獨(dú)特的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。在Z型異質(zhì)結(jié)中，光生電子和空穴的轉(zhuǎn)移方向與Ⅱ型異質(zhì)結(jié)不同，它們通過中間介質(zhì)或直接在界面處進(jìn)行復(fù)合，而具有較高氧化還原能力的光生電子和空穴則保留下來參與光催化反應(yīng)。這種電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制使得Z型異質(zhì)結(jié)能夠保持較高的氧化還原能力，同時(shí)提高光生載流子的分離效率。將SrBi?Ti?O??與另一種半導(dǎo)體構(gòu)建Z型異質(zhì)結(jié)后，在光催化水分解制氫的反應(yīng)中，產(chǎn)氫速率明顯提高，這是因?yàn)閆型異質(zhì)結(jié)的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制能夠有效地促進(jìn)光生載流子參與水分解反應(yīng)，提高了產(chǎn)氫效率。5.2.2與碳材料復(fù)合與碳材料復(fù)合是改善SrBi?Ti?O??光催化性能的另一種重要策略，碳材料具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，與SrBi?Ti?O??復(fù)合后，能夠在多個(gè)方面對光催化性能產(chǎn)生積極影響。石墨烯是一種具有優(yōu)異電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的二維碳材料，其與SrBi?Ti?O??復(fù)合后，能夠顯著提高光催化活性。石墨烯具有高導(dǎo)電性和大比表面積的特點(diǎn)，高導(dǎo)電性使得光生電子能夠在石墨烯表面快速傳輸，減少了電子的復(fù)合幾率。當(dāng)SrBi?Ti?O??與石墨烯復(fù)合時(shí)，光生電子可以迅速轉(zhuǎn)移到石墨烯上，通過石墨烯的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，從而提高了光生電子的遷移效率。大比表面積則為光催化反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)，有利于反應(yīng)物的吸附。在光催化降解有機(jī)污染物的實(shí)驗(yàn)中，SrBi?Ti?O??/石墨烯復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的吸附量明顯高于單一的SrBi?Ti?O??，這是因?yàn)槭┑拇蟊缺砻娣e增加了材料對亞甲基藍(lán)的吸附能力，使更多的亞甲基藍(lán)分子能夠與光生載流子接觸，從而提高了光催化降解效率。碳納米管也是一種常用的與SrBi?Ti?O??復(fù)合的碳材料，其具有一維的管狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了碳納米管獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。碳納米管的管狀結(jié)構(gòu)有利于光生載流子的傳輸，光生電子可以沿著碳納米管的軸向快速移動(dòng)，減少了載流子的散射和復(fù)合。在光催化過程中，當(dāng)SrBi?Ti?O??與碳納米管復(fù)合時(shí)，光生電子能夠迅速注入到碳納米管中，通過碳納米管的傳導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)高效的電荷轉(zhuǎn)移。碳納米管還能夠增強(qiáng)材料的穩(wěn)定性，在一些復(fù)雜的反應(yīng)體系中，碳納米管可以保護(hù)SrBi?Ti?O??免受外界環(huán)境的影響，使其能夠保持穩(wěn)定的光催化性能。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，SrBi?Ti?O??/碳納米管復(fù)合材料在多次循環(huán)使用后，仍然能夠保持較高的光催化活性，這表明碳納米管的加入提高了材料的穩(wěn)定性，使其具有更好的重復(fù)使用性能。與碳材料復(fù)合對光催化性能的提升機(jī)制主要包括增強(qiáng)光生載流子的傳輸和分離效率、提高材料對反應(yīng)物的吸附能力以及增強(qiáng)材料的穩(wěn)定性等方面。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理控制碳材料的含量和復(fù)合方式，可以進(jìn)一步優(yōu)化SrBi?Ti?O??與碳材料復(fù)合材料的光催化性能。在制備SrBi?Ti?O??/石墨烯復(fù)合材料時(shí)，控制石墨烯的含量在一定范圍內(nèi)，可以使復(fù)合材料的光催化活性達(dá)到最佳。如果石墨烯含量過高，可能會(huì)導(dǎo)致材料的團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，反而降低光催化性能；而如果石墨烯含量過低，則無法充分發(fā)揮石墨烯的優(yōu)勢，對光催化性能的提升效果不明顯。5.3形貌調(diào)控形貌調(diào)控是提升SrBi?Ti?O??光催化性能的重要策略之一，通過制備具有特定形貌的SrBi?Ti?O??，如納米結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等，可以顯著改變材料的光吸收、電荷轉(zhuǎn)移以及與反應(yīng)物的接觸等特性，從而提高光催化活性。納米結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??具有獨(dú)特的尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，對光催化性能有著顯著影響。當(dāng)SrBi?Ti?O??的尺寸減小到納米級別時(shí)，其比表面積大幅增加，表面原子所占比例顯著提高。納米結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??比表面積可達(dá)到數(shù)十平方米每克，相比傳統(tǒng)塊體材料有了質(zhì)的飛躍。這使得材料能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于光的吸收和污染物的吸附。在光催化降解有機(jī)污染物的實(shí)驗(yàn)中，納米結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??能夠更充分地與有機(jī)污染物接觸，增加了污染物在材料表面的吸附量，從而提高了光催化反應(yīng)的效率。納米結(jié)構(gòu)還能顯著影響光生載流子的傳輸和復(fù)合過程。由于納米尺寸下光生載流子的擴(kuò)散距離縮短，它們能夠更快速地遷移到材料表面參與光催化反應(yīng)，減少了在內(nèi)部的復(fù)合幾率。研究表明，在一些納米結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??中，光生載流子的復(fù)合壽命明顯縮短，從傳統(tǒng)材料的微秒級縮短到納秒級，這大大提高了光生載流子的利用效率，進(jìn)而提升了光催化活性。制備納米結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??的方法有多種，水熱合成法是常用的一種。在水熱反應(yīng)體系中，通過精確控制反應(yīng)溫度、時(shí)間、反應(yīng)物濃度以及pH值等參數(shù)，可以有效地調(diào)控產(chǎn)物的形貌和尺寸。當(dāng)反應(yīng)溫度在180-200℃，反應(yīng)時(shí)間為12-24小時(shí)，反應(yīng)物濃度在一定范圍內(nèi)時(shí)，可以制備出尺寸均勻、分散性良好的納米片結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??。模板法也是制備納米結(jié)構(gòu)的有效手段，通過選擇合適的模板，如二氧化硅模板、碳納米管模板等，可以引導(dǎo)SrBi?Ti?O??在模板表面生長，從而得到具有特定形貌的納米結(jié)構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??同樣具有獨(dú)特的優(yōu)勢，對光催化性能的提升有著重要作用。多孔結(jié)構(gòu)的存在大大增加了材料的比表面積，為光催化反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)。多孔SrBi?Ti?O??的比表面積可以達(dá)到甚至超過100平方米每克，這使得材料能夠更充分地與光和反應(yīng)物接觸，增強(qiáng)了光的吸收和污染物的吸附能力。在光催化降解有機(jī)污染物的實(shí)驗(yàn)中，多孔結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??對亞甲基藍(lán)等染料的吸附量明顯高于非多孔材料，能夠在較短時(shí)間內(nèi)使亞甲基藍(lán)溶液的濃度顯著降低。多孔結(jié)構(gòu)還能夠改善光生載流子的傳輸和分離效率。多孔結(jié)構(gòu)中的孔道可以作為光生載流子的傳輸通道，減少載流子在傳輸過程中的散射和復(fù)合。在多孔SrBi?Ti?O??中，光生載流子可以沿著孔道快速遷移到材料表面，參與光催化反應(yīng)。多孔結(jié)構(gòu)還可以增加光在材料內(nèi)部的散射，延長光的傳播路徑，提高光的利用效率。當(dāng)光照射到多孔SrBi?Ti?O??時(shí)，光在孔道內(nèi)多次散射，使得更多的光子能夠被材料吸收，激發(fā)更多的光生載流子。制備多孔結(jié)構(gòu)SrBi?Ti?O??的方法包括硬模板法、軟模板法和自模板法等。硬模板法通常使用二氧化硅、氧化鋁等作為模板，將SrBi?Ti?O??前驅(qū)體填充到模板的孔道中，經(jīng)過煅燒等處理后去除模板，得到多孔結(jié)構(gòu)。軟模板法則利用表面活性劑、聚合物等形成的膠束或乳液作為模板，引導(dǎo)SrBi?Ti?O??的生長。自模板法則是利用材料自身在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體或分解產(chǎn)物作為模板，形成多孔結(jié)構(gòu)。通過硬模板法制備的多孔SrBi?Ti?O??具有規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)和均勻的孔徑分布，在光催化降解有機(jī)污染物的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較高的催化活性。六、SrBi4Ti4O15光催化性能的應(yīng)用研究6.1環(huán)境污染物降解6.1.1有機(jī)污染物降解SrBi?Ti?O??在有機(jī)污染物降解領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛力，對于多種常見的有機(jī)污染物，如染料、抗生素等，都具有一定的光催化降解能力。在染料降解方面，亞甲基藍(lán)是一種常用的有機(jī)染料，其分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，傳統(tǒng)方法難以有效降解。以SrBi?Ti?O??為光催化劑，在模擬太陽光照射下，對亞甲基藍(lán)溶液進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定時(shí)間內(nèi)，亞甲基藍(lán)的濃度隨著光照時(shí)間的延長而逐漸降低。通過對亞甲基藍(lán)溶液的吸光度進(jìn)行監(jiān)測，計(jì)算出其降解率。在初始濃度為10mg/L的亞甲基藍(lán)溶液中，加入0.5g/L的SrBi?Ti?O??光催化劑，光照120min后，亞甲基藍(lán)的降解率可達(dá)到80%以上。這是因?yàn)樵诠庹諚l件下，SrBi?Ti?O??產(chǎn)生的光生電子-空穴對能夠與亞甲基藍(lán)分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，破壞其分子結(jié)構(gòu)，使其逐步降解為小分子物質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)脫色和礦化。羅丹明B也是一種常見的有機(jī)染料，其降解過程同樣受到研究者的關(guān)注。在對羅丹明B的光催化降解實(shí)驗(yàn)中，采用水熱合成法制備的納米片結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??表現(xiàn)出了較高的催化活性。在可見光照射下，納米片結(jié)構(gòu)的SrBi?Ti?O??能夠迅速吸附羅丹明B分子，光生載流子能夠有效地與羅丹明B分子發(fā)生反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在初始濃度為15mg/L的羅丹明B溶液中，加入0.6g/L的納米片結(jié)構(gòu)SrBi?Ti?O??，光照90min后，羅丹明B的降解率可達(dá)90%左右。這得益于納米片結(jié)構(gòu)的大比表面積和良好的光生載流子傳輸特性，使得光催化反應(yīng)能夠更高效地進(jìn)行。抗生素類污染物由于其在環(huán)境中的殘留和對生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害，也成為光催化降解的重要目標(biāo)。四環(huán)素是一種常見的抗生素，在水環(huán)境中難以自然降解。以SrBi?Ti?O??為光催化劑，研究其對四環(huán)素的降解性能。在模擬太陽光照射下，四環(huán)素分子能夠被SrBi?Ti?O??產(chǎn)生的光生載流子氧化分解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在初始濃度為20mg/L的四環(huán)素溶液中，加入0.8g/L的SrBi?Ti?O??，光照150min后，四環(huán)素的降解率可達(dá)到75%以上。通過對降解產(chǎn)物的分析發(fā)現(xiàn)，四環(huán)素分子中的酰胺鍵、羥基等官能團(tuán)被破壞，逐步降解為小分子有機(jī)酸和無機(jī)離子，降低了其對環(huán)境的危害。不同類型的有機(jī)污染物由于其分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的差異，在SrBi?Ti?O??光催化降解過程中表現(xiàn)出不同的降解特性。染料類污染物通常具有較大的共軛結(jié)構(gòu)，容易吸收光能，在光生載流子的作用下，共軛結(jié)構(gòu)被破壞，從而實(shí)現(xiàn)脫色和降解。而抗生素類污染物由于其分子結(jié)構(gòu)中含有多種官能團(tuán)，降解過程較為復(fù)雜，需要光生載流子與不同官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，逐步實(shí)現(xiàn)降解。在實(shí)際應(yīng)用中，有機(jī)污染物的濃度、初始pH值等因素也會(huì)對SrBi?Ti?O??的光催化降解性能產(chǎn)生影響。較高的污染物濃度可能會(huì)導(dǎo)致光生載流子的競爭，降低降解效率；而不同的初始pH值會(huì)影響污染物的存在形式和光催化劑表面的電荷性質(zhì)，進(jìn)而影響光催化反應(yīng)的進(jìn)行。6.1.2無機(jī)污染物降解SrBi?Ti?O??在無機(jī)污染物降解方面也具有重要的應(yīng)用價(jià)值，尤其在對重金屬離子等無機(jī)污染物的處理上，展現(xiàn)出了獨(dú)特的性能。重金屬離子如Cr??、Pt??、Au3?等在環(huán)境中具有高毒性和持久性，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。以Cr??為例，其在水體中通常以Cr?O?2?或CrO?2?的形式存在，具有強(qiáng)氧化性。當(dāng)以SrBi?Ti?O??為光催化劑時(shí)，在光照條件下，SrBi?Ti?O??產(chǎn)生的光生電子具有還原性，能夠?qū)r??還原為毒性較低的Cr3?。在實(shí)驗(yàn)中，將初始濃度為50mg/L的含Cr??溶液中加入1.0g/L的SrBi?Ti?O??光催化劑，在模擬太陽光照射下進(jìn)行反應(yīng)。隨著光照時(shí)間的延長，溶液中Cr??的濃度逐漸降低。通過二苯碳酰二肼分光光度法對溶液中Cr??的濃度進(jìn)行測定，結(jié)果顯示，光照180min后，Cr??的去除率可達(dá)到90%以上。這是因?yàn)楣馍娮优cCr??發(fā)生還原反應(yīng)，使Cr??的價(jià)態(tài)降低，從而降低了其毒性。對于Pt??，在光催化過程中，SrBi?Ti?O??產(chǎn)生的光生電子同樣能夠?qū)⑵溥€原。在實(shí)驗(yàn)體系中，將一定量的SrBi?Ti?O??加入到含有Pt??的溶液中，在光