新型可见光型光催化剂的制备及其性能研究

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半导体光催化技术,具有高效、绿色、经济、环境友好等特点,其作为一种新型的环境治理技术受到科学家们的广泛关注。在过去,TiO2,因为具有高光催化活性,良好的稳定性,低毒性等优点,曾经是光催化领域里的重点研究对象,且取得了许多重大发现和研究成果。但是,TiO2只能在紫外光下激发和其较低的量子效率使其实际应用性受到致命的限制。我们知道,太阳能中紫外光成分很少,可见光成分最多,为了能够充分利用绿色、充足的太阳能,开发新型可见光型催化剂成为首当其冲的挑战。  目前,已被发现的一些单元半导体,如BiOX(X=Cl,Br,I)、Bi4Ti3O12、BiVO4、 Bi2WO6和Bi2MoO6等,由于氧化还原能力弱及量子效率普遍较低,从而难以实现大规模的实际应用。经研究发现,元素(离子)掺杂,形貌的调变,异质结的构建等方法,可以大大提高所得材料的光催化效率。在众多方法中,构建异质结成为目前开发可见光催化剂领域里的研究热点,相关的报道非常之多。基于此,本文通过异质结构建的方法成功研制了几种新的可见光催化材料。以简单的水热法制备了三种不同形貌的主体材料,采用客体浸渍的方法成功制得三种复合材料,并通过粉末X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、电镜(SEM、TEM、HRTEM)、N2-吸附脱附、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射和光致发光光谱(PL)等对所得材料的结构、形貌、组成等进行了详细的表征。通过以有机染料罗丹明B、甲基橙、结晶紫等作为模拟污染物,在可见光下,探测复合材料的光催化性能以及可能的光催化机理。主要内容概括如下:  (一)3D纳米花型AgI/Bi2O2CO3复合材料的制备及光催化活性研究  通过水热法制备得到主体材料3D花型Bi2O2CO3,用乙醇做溶剂,将不等量的客体材料AgI浸渍到Bi2O2CO3的表面,得到多个不同AgI含量的复合材料AgI/Bi2O2CO3,表征数据显示,AgI纳米颗粒的引入并没有影响Bi2O2CO3的晶体、组成和形貌,并拓宽了Bi2O2CO3在可见光区域的响应范围。以罗丹明(RhB)为模拟污染物,在300W氙灯(滤去紫外)光照下,考察了同等实验条件下,不同催化剂的光催化性能和稳定性。数据表明,当AgI的负载量为0.25 mmol时,光照1小时后,复合材料Agl/Bi2O2CO3(AB-0.25)催化活性达到最佳,且均优于单体材料AgI和Bi2O2CO3,RhB的降解率达到98%以上,而且,催化剂重复使用五次后,催化活性无较大变化。  (二)等离子共振型Ag/AgCl/CdWO4复合材料的研制及光催化性能探讨  通过溶剂热法制备得到微小纺锤型的主体材料CdWO4,用去离子水和乙醇的混合溶液做溶剂,将客体材料AgCl与CdWO4进行复合,得到复合材料AgCl/CdWO4,随后通过光还原处理得到最终复合材料Ag/AgCl/CdWO4,表征结果显示,Ag/AgCl的引入对CdWO4的晶体结构、成分和形貌等没有明显的影响,与此同时,在等离子效应的作用下,CdWO4的量子效率以及它对可见光响应能力都得到了很大提高。最后,以甲基橙(MO)、罗丹明(RhB)、亚甲蓝(MB)等6种染料为模拟污染物,在300W氙灯(滤去紫外)条件下,考察了复合材料的光催化性能。结果表明,Ag/AgCl/CdWO4催化剂对6种染料均具有非常好的光催化降解能力,光照12 min内,对6种染料的降解率均达到95%以上,在降解MO的实验中,Ag/AgCl/CdWO4活性优于单体材料Ag/AgCl、CdWO4和其它材料,重复使用五次,其对甲基橙的催化降解能力无显著变化,表现出了非常好的稳定性。  (三)一种新型p-Ag3PO4/n-ZnWO4复合材料的合成及光催化活性研究  通过简单水热法制备得到主体材料短棒型ZnWO4,用去离子水做溶剂,将不等量的客体材料Ag3PO4浸渍到ZnWO4的表面,得到多个不同Ag3PO4含量的复合材料p-Ag3PO4/n-ZnWO4,表征结果表明,Ag3PO4纳米颗粒的引入对ZnWO4的晶体结构、成分和形貌等没有明显的影响,并将ZnWO4光响应能力从紫外光拓宽到可见光范围内,两者形成的p-n异质结加速了光生电子和空穴的分离,大大提高了ZnWO4的量子效率。最后,以罗丹明(RhB)为模拟污染物,在300W氙灯(滤去紫外)条件下,考察了不同催化剂的光催化性能和稳定性。结果表明,当Ag3PO4的负载量达到0.25 mmol,光照18 min,复合材料p-Ag3PO4/n-ZnWO4具有最高的催化活性,且均优于单体材料Ag3PO4和ZnWO4,RhB的降解率达到99%以上,且重复使用四次催化剂的活性无显著变化。
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