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随着全球工业技术的迅猛发展,人类在各个学科领域取得辉煌成就的同时所带来的环境污染问题日益严重,甚至开始威胁人类自身健康以及其他生物的生存环境。有机污染物是造成水污染的主要原因,而光催化技术可以利用太阳能有效地降解有机物污染,因此制备具有高量子产率且对可见光有快速响应能力的光催化材料是目前该领域的研究热点。铁酸铋系化合物(Bi Fe O3、Bi2Fe4O9和Bi25Fe O40)作为窄带隙半导体,在可见光波长范围内的光响应特性,预示着其在光催化领域具有潜在应用前景。本文采用第一性原理理论计算与水热合成实验验证相结合的研究方法,系统地研究了铁酸铋系化合物半导体的结构及其光吸收和光催化性能,考察了贵金属Ag对铁酸铋系化合物光催化性能的影响。第一性原理计算结果显示:(1)Bi Fe O3属于直接带隙半导体,带隙为2.013e V;经Ag掺杂之后Bi FeO3转变为间接带隙半导体,其带隙降低为1.301 e V。(2)Bi2Fe4O9为间接带隙半导体,其带隙值为1.922 e V;Bi25Fe O40为直接带隙半导体,其带隙值为1.817 e V。(3)通过分析Bi Fe O3和Bi2Fe4O9的外层电子布局,发现Fe-O为共价键,而Bi-O形成了离子键。(4)光电性质计算结果显示Bi Fe O3、Bi2Fe4O9以及Ag掺杂Bi FeO3在可见光范围内均具有明显的光吸收特性。通过调整水热法工艺参数可以制备纯相Bi FeO3、Bi2Fe4O9和Bi25Fe O40粉体。三种半导体材料的最佳合成工艺参数分别为:对于Bi Fe O3,KOH浓度为8.5M的情况下,200℃反应12h可以得到尺寸为10μm的由细小颗粒集聚而成的团聚体;对于Bi2Fe4O9,KOH浓度为4M的情况下,200℃反应6h可以得到形貌尺寸为几十纳米厚的单分散薄片。对于Bi25Fe O40,KOH浓度为4M的情况下,80℃反应12h便可获得正方形薄片层状叠加而成的纯相Bi25Fe O40粉体。由光吸收性能测试结果得出了Bi Fe O3、Bi2Fe4O9以及Bi25Fe O40的带隙值分别为1.93 e V、1.4 e V或1.7 eV(Bi2Fe4O9为双带隙材料)和1.63 e V,与第一性原理计算结果相符。光催化性能测试结果表明三者均有很强的光催化降解亚甲基蓝溶液的能力。光照射120 min后,亚甲基蓝溶液浓度降解效率依次为Bi2Fe4O9(81.3%)、Bi Fe O3(86.3%)、Ag-Bi FeO3(87.0%)以及Bi25Fe O40(87.2%),说明层状结构Bi25Fe O40粉体光催化效果最好,完全可以替代Bi Fe O3作为性能最佳的光催化材料。