CsPbBr3、Cs4PbBr6及其复合体系的催化性能研究

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水污染的治理,尤其是水中有机污染物的处理,是世界性的难题。光催化技术是一种高效、安全、理想的环境友好型水污染治理手段。经过几十年的发展,仍存在一些亟需解决的难题,例如太阳光利用率低等。以铅卤钙钛矿为代表的金属卤化物钙钛矿材料具有高光吸收系数、高载流子迁移率、长电荷扩散长度、宽且可调的光吸收范围等特性,是近几年才应用到光催化领域的新秀,并展示出优良的光催化性能和巨大的发展潜力,有望实现高效的催化效率。虽然金属卤化物钙钛矿的光催化性能良好,但是普遍存在稳定性差的问题。本文以目前卤化物钙钛矿光催化研究中应用最广泛的CsPbBr3为基础,通过简单的合成方法将CsPbBr3与Cs4PbBr6复合来提高CsPbBr3的稳定性,研究CsPbBr3/Cs4PbBr6复合材料的光催化性能。制备了一系列铯铅溴材料(CsPbBr3、Cs4PbBr6、CsPbBr3/Cs4PbBr6),探究材料中CsPbBr3和Cs4PbBr6的含量对催化性能的影响以及合成方法对催化剂稳定性的影响。尝试通过调整催化溶剂环境、退火提高材料的稳定性。具体内容如下:首先,通过过饱和再结晶法直接一步合成了CsPbBr3/Cs4PbBr6(PbBr2:CsBr=1:1)复合材料。在300 W氙灯的照射下,16 mg存放5天的样品在90 min内降解水溶液中84.2%的甲基橙(MO)。在光催化降解MO的对比实验中,发现该样品黑暗条件下,90 min能降解88.7%的MO;22 mg相同样品,120 min能降解水溶液中91.1%的MO。CsPbBr3/Cs4PbBr6(PbBr2:CsBr=1:1)存放30天后,在光照和黑暗条件下的催化性能的重复性有所提高。自由基捕获实验证实,˙O2在催化或光催化降解MO的过程中起主要作用。另外,通过改变溴化铅(PbBr2)和溴化铯(CsBr)的摩尔比,合成了一系列铯铅溴(CsPbBr3、Cs4PbBr6、CsPbBr3/Cs4PbBr6),样品黑暗下的催化降解能力随CsPbBr3含量的增加而增强,但重复性较差,表明样品稳定性比较差。结果可能为水污染物的处理提供一种可以在光照和黑暗条件下可同时进行工作的新型催化剂。其次,为了提高催化剂的水稳定性,采用水辅助法合成了不同含量比铯铅溴(CsPbBr3、Cs4PbBr6、CsPbBr3/Cs4PbBr6)样品,催化性能测试结果显示其催化降解能力同样随样品中CsPbBr3含量的增加而增强,CsPbBr3样品性能最忧,但降解效率仅为17.7%。对比发现,在水相催化过程中,水辅助法合成样品的水稳定性有所提高。最后,采用过饱和再结晶法合成的一系列不同含量比的样品,在乙醇环境中催化降解罗丹明B(RhB),相较于水相中,样品光催化性能更忧,1 mg CsPbBr3氙灯下90 min能降解乙醇中97.7%的RhB。为进一步提高CsPbBr3光催化剂的稳定性,将样品在DMF气氛中退火,退火后的CsPbBr3经过三次循环光催化测试降解效率基本没有变化,优于未退火样品。催化前后样品XRD结果也显示样品具有较好的稳定性。
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