随着经济的快速发展,消费水平的不断提高,环境污染和能源短缺成为当今人类社会面临的首要问题,寻找并探究节能环保的环境污染治理技术势在必行。其中,光催化技术因其众多优点,如:可重复利用,降解污染物能力强,无二次污染,节能等,而成为解决全球环境污染和能源短缺问题的潜在的主要技术手段之一。众所周知,光催化技术的核心是光催化材料。软铋矿家族作为一类新型的光催化材料因其特有的晶体结构而具备光折变、光致发光和光导电等特性,使得软铋矿在光催化材料中占据一定地位,更因此而受到广大研究者的青睐。本研究通过简单温和的溶胶凝胶法,在不同焙烧温度和焙烧时间下合成了Bi₁₂MnO₂₀软铋矿光催化材料。以重铬酸钾溶液(K₂Cr₂O₇)和酸性红溶液(ARG)为模拟污染物,分别研究了所制备的光催化材料在紫外—可见—近红外光的光催化还原性能和可见光光催化氧化性能。此外,本研究还探讨了光响应范围与光催化材料电子结构之间的关系,以及光催化的降解机理。本研究的主要内容如下:(1)以Bi(NO₃)₃·5H₂O和C₄H₆MnO₄·4H₂O为原料,C₆H₈O₇·H₂O和EDTA为络合剂,采用溶胶凝胶法,结合灰化焙烧工艺成功地制备出Bi₁₂MnO₂₀软铋矿光催化材料。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等一系列表征手段分别对制得的Bi₁₂MnO₂₀光催化剂的结构及光吸收物化特性进行了分析。分析结果表明,通过溶胶凝胶法成功合成出墨绿色的Bi₁₂MnO₂₀光催化剂,其颗粒大小属于微米级且焙烧温度和焙烧时间对Bi₁₂MnO₂₀光催化剂的合成纯度都有一定的影响。紫外可见近红外漫反射和光致发光光谱表征结果表明了Bi₁₂MnO₂₀具有十分强的光吸收能力,其光响应范围覆盖在200-1300 nm左右,是一个具有很宽的太阳光光谱响应的光催化剂。(2)Bi₁₂MnO₂₀材料的光催化还原氧化性能是通过对污水中六价铬离子的降解率和酸性红(ARG)的去除率来评价的。该催化剂的焙烧温度、焙烧时间、投加量以及污染物初始浓度等对Cr(VI)和ARG的降解都有一定的影响。一系列实验结果表明,在紫外光和可见光下照射2 h,Bi₁₂MnO₂₀光催化材料对六价铬溶液的降解效率基本可以达到98%,并且在近红外光下,该光催化材料对六价铬溶液的降解效率达到50%左右,这说明该光催化剂具有UV-VIS-NIR宽光谱响应能力。此外,在可见光下照射2 h,该光催化材料对ARG的去除率可达到55%左右。(3)该催化材料具有紫外-可见-近红外光降解的能力的主要原因是制备过程中,Mn⁴⁺嵌入在亚稳定立方体γ-Bi₂O₃的正四面体中,从而使Mn⁴⁺中的3 d轨道形成,导致该物质的光吸收能力增强,成为一种具有宽光谱(200nm¹300 nm)响应能力的新型光催化剂。DFT计算进一步证实了Bi₁₂MnO₂₀的带隙中中间带的存在,其由O 2p和Mn 3d轨道杂化形成。更重要的是,在紫外线,可见光和近红外光照射下,Bi₁₂MnO₂₀很强的光还原Cr(VI)能力,主要由于Bi³⁺中独特的6S²孤电子对结构使该催化剂具有合适的带隙和有中间能带的产生,从而导致电子-空穴对的分离率增强,即产生相对多的具有强还原性的电子,从而大大提高了Bi₁₂MnO₂₀化合物的光还原性能。另外,该物质的光氧化性能主要是由于空穴(h⁺)和超氧基(·O^2-)活性物质的存在。