钴掺杂锰酸镧光催化剂的第一性原理与可见光响应光催化性能研究

doi:10.7503/cjcu20200831

摘要/Abstract

摘要：

利用了第一性原理方法模拟计算了LaMnO₃在掺杂Co前后的电子性质和光学性能, 计算结果表明, 掺杂Co可以提高LaMnO₃对可见光的吸收能力. 探究了不同pH环境下采用溶胶-凝胶法制备的LaMnO₃结构的稳定性, 多种表征手段的结果表明, LaMnO₃在中性或碱性环境下较为稳定. 研究了不同Co掺杂浓度对LaMnO₃光催化活性的影响. 其中, LaMn_0.9Co_0.1O₃粉体表现出最高的光催化活性, 在可见光照射下对甲基橙溶液的降解率达54%, 比LaMnO₃提高了17%.

关键词: 光催化, 钙钛矿, 第一性原理, 溶胶-凝胶法, 掺杂

Abstract:

Perovskite photocatalyst has attracted many attention due to its good stability and perfect catalytic decontamination ability. Sol-gel method can effectively and stably synthetize LaMnO₃. Perovskite can effectively adjust the bandgap with substitute B site of metal and improve its catalytic performance. In this paper， The electronic and optical properties of LaMnO₃ and the combination of LaMn_1-_xCo_xO₃ were simulated by the first principle method. The results showed that Co substitutions can improve the absorption ability to visible light of LaMnO₃. LaMnO₃ was synthetized by sol-gel method， and the stability of the structure under different pH environment was explored. The results showed that LaMnO₃ was more stable under neutral or alkaline environment. The effect of LaMnO₃ in different Co substitution concentration on the photocatalytic activity was studied. Among that， the results of experiment prove that the Co substitutions in LaMnO₃ can improve the photocatalysis ability of LaMnO₃. Compare with other proportion of Co substitutions， LaMn_0.9Co_0.1O₃ powder showed the highest photocatalytic activity， and the degradation rate of methyl orange under visible light was 54%， which is 17% higher than that of LaMnO₃.

Key words: Photocatalysis, Perovskite, First principle, Sol-gel method, Substitution

中图分类号:

O643.3

TrendMD:

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图/表 16

Fig.1 Model diagram of ABO3 perovskite

Fig.2 Schematic diagram of LaMnO3 cell structure

Fig.3 Cut?off energy convergence curve and K?point convergence curve of LaMnO3 cell structure optimization

Fig.4 Band structure of LaMnO3

Fig.5 Band structure of LaMnO3 with 0.1(A), 0.2(B) and 0.3(C) Co2+ substitution

Fig.6 UV?Vis spectra of LaMnO3 with differnt Co2+ concentrations

Table 1 Phenomenon of different pH value

Transparent light yellow

Transparent light brown

Transparent dark brown

Phenomenon after standing

White precipitate

Light brown transparent solution

Dark brown transparent solution

Dark brown

transparent solution

Phenomenon after water bath heating

White caking

White

caking

White gel

Light brown gel

Dark brown gel

Fig.7 XRD patterns of LaMnO3 with different pHpH: a. 6; b. 7; c. 8; d. 9.

Fig.8 SEM images of LaMnO3 perovskite catalystspH: (A) 7; (B) 8; (C) 9.

Fig.9 N2 adsorption?desorption isotherms of LaMnO3 with different pH

Fig.10 MO transmittance curve of different wavelength(A) and catalytic efficiency curve of LaMnO3(B)

Table 2 Tolerance factor of different CO2+ substitution concentration

Co²⁺ doping ratio(%)	$r ˉ B$	t	$r ˉ B / r O$
0	0.0785	0.8932	0.5607
10	0.0779	0.8956	0.5564
20	0.0772	0.8985	0.5514
30	0.0776	0.9010	0.5471
40	0.0759	0.9039	0. 5421

Table 2 Tolerance factor of different CO2+ substitution concentration

Co²⁺ doping ratio(%)	$r ˉ B$	t	$r ˉ B / r O$
0	0.0785	0.8932	0.5607
10	0.0779	0.8956	0.5564
20	0.0772	0.8985	0.5514
30	0.0776	0.9010	0.5471
40	0.0759	0.9039	0. 5421

Fig.11 XRD patterns of LaMnO3 with diffe?rent Co2+ substitution concentrationsx: a. 0.1; b. 0.2; c. 0.3.

Fig.12 XRD peaks of LaMnO3 with different Co2+ substitution concentrations

Fig.13 MO degradation rate of LaMnO3 with different Co2+ substitution concentrations(A) and relationship between times of LaMn0.9Co0.1O3 cycle experiments and catalytic efficiency(B)

Fig.14 XRD pattern of LaMnO3 after photocatalytic experiment

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