贵金属/Bi系光催化材料复合体的构建和光催化性能的研究

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BiOCl,由于其自身所具有的诸多优点而受到广泛的关注。但是,由于其禁带宽度较大,不能有效利用可见光,只能被占太阳光比例很小的紫外光激发,发生光催化反应。为解决这一问题,本文采用操作简单、实用的水热反应方法制备获得了BiOCl纳米片,进一步,我们在不同光照条件下采用光还原的方法制备获得Vis-Ag-BiOCl和UV-Ag-BiOCl两种纳米复合光催化材料,通过多种表征方法对纳米复合材料的结构、形貌和性质进行了表征;并以甲基橙(MO)作为目标降解物,在可见光条件下,考察负载单质Ag对BiOCl光催化活性的影响;以及将可见光光源和电化学工作站联用,测试样品在可见光条件下的阻抗和光电流,并结合BiOCl表面存在的氧空位对两种纳米复合材料的光催化性能的影响进行分析,得到以下的结论:1.采用水热法制备获得了纯相片层状BiOCl,2.利用可见光在BiOCl的表面负载不同物质的量百分比的Ag纳米颗粒,以MO为目标降解物,在可见光条件下考察Vis-Ag-BiOCl的光催化活性,得到了负载的最优量;同时研究了Vis-Ag-BiOCl纳米复合材料对NO的催化降解活性,结果表明负载Ag同样会提高BiOC1的气相催化活性。3.利用可见光和紫外光分别在BiOC1表面负载物质的量百分比为5%的纳米Ag颗粒,并考察了Vis-Ag-BiOCl和UV-Ag-BiOCl在可见光条件下的光催化活性。测试结果表明:Vis-Ag-BiOCl的光催化活性优于UV-Ag-BiOCl。这是因为BiOCl中存在的氧空位(oxygen vacancy)会作为一个施主能级存在于距离BiOCl导带底很近的禁带中,光照下氧空位中的电子会发生跃迁至导带,进而发生还原反应。本文采用紫外光制备Ag-BiOCl复合材料时,由于紫外光的能量较大,可直接激发BiOC1价带中的电子跃迁至导带,进而在BiOC1表面将Ag+还原为单质Ag,造成Ag颗粒发生团聚,成为光生电子-空穴对的复合中心,降低了载流子的寿命,减弱了由表面等离子体共振效应对BiOC1光催化活性的增强。造成UV-Ag-BiOCl光催化活性低于Vis-Ag-BiOCl。之后进行的光电测试结果表明:Vis-Ag-BiOCl中光生电子-空穴分离效率和载流子迁移速率高于UV-Ag-BiOCl。4.同时,通过负载非贵金属Bi也可以提高BiOCl的光催化活性。这是由于Bi的负载不仅引入了表面等离子体共振效应;并且在可见光照射的条件下,沉积的Bi单质自身能够产生光生电子和空穴,可以成为光催化反应新的活性中心,从而进一步提升BiOCl的光催化活性。另一方面,lltrathin BiOCl、Bi2O2CO3和Bi2WO6作为Bi系半导体光催化材料中具有代表性的材料以独特的层状结构,良好的光催化活性而受到了广泛的关注。我们采用紫外光还原的方法在以上三种半导体光催化材料的表面负载了Ag,并对其光催化性能进行了测试;同时,我们在制备获得Au量子点的前提下,采用浸渍法将Au量子点负载于三种半导体材料的表面,并通过降解MO研究了三种材料的光催化活性。得到以下结论:1.采用水热法制备超薄BiOCl (ultrathin BiOCl)、Bi2WO6以及利用沉淀法制备Bi2O2CO3层状半导体光催化材料,使用紫外光还原的方法制备了Ag-ultrathin BiOCl、 Ag-Bi2WO6、Ag-Bi2O2CO3,并测试三种复合材料在可见光条件下的光催化活性。实验结果表明:负载的Ag单质能够提高半导体光催化材料的可见光催化活性;但是,在利用紫外光进行光还原时要考虑材料表面是否存在氧空位或其他可能对半导体材料的性质带来影响的特殊结构,避免光还原过程中引起负载的Ag发生团聚而成为光生电子和空穴的复合中心,抑制半导体的光催化活性。2.采用化学还原法制备Au量子点,并通过浸渍法将制备获得的Au量子点分别负载于ultrathin BiOCl、Bi2WO6、Bi2O2CO3等三种Bi系半导体光催化材料,并测试了三种光催化材料在可见光条件下的光催化活性。实验结果表明:负载的Au量子点在一定程度上能够提高半导体光催化材料的在可见光条件下光催化活性;然而,如果负载的Au量子点占据了半导体表面的吸附点位,阻碍半导体光催化材料对有机染料的吸附,则会对半导体的光催化活性起到抑制作用。
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