1.2 背景研究

1.2.1 BiFeO3的结构

钙钛矿晶体属于立方结构，如图1.1（a），但实际情况下，得到的很多钙钛矿集体会有区别于理想结构。

BiFeO3常温下结构如图1.1（b）：BiFeO3属于R3c点群，为扭曲的三方钙钛矿结构。根据报道其晶格常数为：a=b=c=5.63Å三方钙钛矿结构是由立方结构沿

（111）方向拉伸形成。

图1.1（a）标准的钙钛矿结构 （b）BiFeO3结构

1.2.2 BiFeO3的性质

BiFeO3是少数能在室温表现铁电性和铁磁性的单相材料，因此被应用广泛，主要应用在信息存储、电子器件、电容-电感一体化等方面[11]。BiFeO3是非化学计量比的复合型钙钛矿材料，材料内部存在大量的氧空位。根据电中性原理：材料中的铁离子往往不全是Fe3+,部分为Fe2+，因此其化学式可以写成BiFexO3-x。BiFeO3也属于多晶材料，多晶材料内部往往存在大量的晶界、亚晶界。

由于大量氧空位、晶界的存在，同时该材料具有较小的光学带隙，所以可以应用在光催化、气敏等其他方面。尤其是在光催化方面表现突出。根据目前报道：实验室中对于RhB最好的催化时间大概在3h左右[12-14]。许多研究表明，作为典型的钙钛矿材料，掺杂是一种改变材料物理性质的首选措施。A位离子和B位离子的替换可实现其结构微调，并最终达到提高性能的目的。BiFeO3的A、B位离子替代已成为研究热点，人们希望通过掺杂来改善BiFeO3的光催化、气敏性能.选取的掺杂元素主要考虑离子半径大小是否相近被替代离子，此外A位掺杂元素还需考虑是否能抑制Bi离子的挥发，B位掺杂元素需考虑其能带结构是否接近Fe元素的能带结构[15-19]。目前对BiFeO3材料A位掺杂的主要稀土元素有La、Sm、Gd、Eu等，此外也有Ba、Ca、Sr等二价元素。B位掺杂主要以过渡金属元素为主，主要有过度金属元素有Nb、Ti、Cr、Co等。本论文采用溶胶凝胶方法制备BiFeO3纳米颗粒，并通过对Bi离子进行Sr元素掺杂，研究Sr掺杂对BiFeO3材料光催化、气敏性能的影响。

1.3 光催化和气敏性

1.3.1 光催化降解有机物

20世纪末科学家利用TiO2对多氯联苯化合物进行成功脱氯去毒。至此，TiO2光催化技术便受到国际很多科研小组的关注。由于该技术直接利用太阳能，二次污染较小，现已被用来治理环境污染。

大部分的光催化材料均为半导体，它们拥有较窄的光学带隙，能充分利用太阳光。当光照射材料，价带的电子受激跃迁到导带，产生大量的光生电子-空穴对,大量光生空穴与水中的氧气分子作用生成大量的具有较强氧化性的氢氧自由基·OH。电子还原被吸附在其表面的溶解氧，当溶液中含有大量的有机物时，会被产生的氢氧自由基·OH氧化分解。其主要机理如图1.2所示：

图1.2 光催化的基本原理

半导体材料在吸收足够的太阳光后能产生光生电子和光生空穴。产生的电子和空穴一般会参与以下几个反应：

a)在材料内部复合，以热量的形式放出多余能量。b)在材料表面复合，以热量的形式放出多余能量。

c)到达材料表面的电子会与水中的O2反应生成超氧自由基，超氧自由基进过系列反应生成·OH。

d)到达材料表面的空穴与半导体表面的H2O或OH-反应生成·OH。

最终生成的·OH具有强的氧化性，能将有机催化降解为H2O和CO2等无害物质，从而达到治理环境的目的。