铋钽基纳米片的制备及光催化性能研究

发布时间：2020-06-08 05:17

【摘要】：光催化技术是一种环境友好型的技术,能利用太阳能实现光降解目标污染物和光催化分解水产氢。半导体光催化技术用于环境治理可以除去高毒性、低浓度、难以自降解的污染物,具有污染物除净度高、无二次污染的优势。因此,光催化技术用于水体污染物的治理,因其绿色环保及可再生的优势引起了科研工作者的广泛关注。本论文主要以熔盐法为合成手段,成功制备了几种铋钽基光催化材料,系统地研究了其形貌组成、晶体结构、电子结构、能带组成及光电化学性质对光催化性能影响。采用简单熔盐法,制备了暴露{010}晶面BiTaO4单晶纳米片(BiTaO4 SCNs)光催化剂,该催化剂不但具有优异的降解Rh B和苯酚的活性,而且能够分解水产氢。通过紫外可见漫反射、XPS价带谱和莫特-肖特基测试确定了其能带位置。几何计算得到{010}面占比达到86%,晶体结构分析表明{010}晶面终止原子为氧原子。利用DFT理论计算发现,其价带是由O 2p轨道构成,而导带是由Ta5d和O 2p轨道杂化组成,大量氧原子暴露使其价带和导带位置上移。BiTaO4SCNs导带的升高使其光生电子不但表现出优异的还原Cr(Ⅵ)的活性,而且能还原水中的H+产氢。利用混合熔盐法,制备了暴露{001}晶面的Na0.5Bi2.5Ta2O9单晶纳米片(NBTO SCNs)光催化剂。在模拟太阳光下,NBTO SCNs具有优异的降解Rh B和四环素活性,在可见光下能够发生比较剧烈的染料敏化反应。同时其具有良好的分解水制氢活性和稳定性。理论计算结果表明其价带是由O 2p轨道构成,而导带是由Ta 5d轨道组成。NBTO SCNs属于典型的层状钙钛矿化合物,NBTO SCNs钙钛矿层A位存在混合阳离子(Na+和Bi3+),A位局部电荷不平衡引起晶体结构不稳定,在晶体内部沿[001]方向产生强的自发极化作用。有利于光生载流子在极化方向快速分离,增强了光催化活性。通过一步混合熔盐法,制备了Na0.5Bi2.5Ta2O9/Bi4Ta O8Cl-n(NBTO/BTOC-n)异质结光催化剂,实现了BTOC纳米片在NBTO纳米片表面的原位生长。该催化剂在模拟太阳光和可见光下都具有优异的降解Rh B的性能,自由基捕获实验表明空穴和超氧自由基在下降解性过程中起主要作用。利用单色光照射的染料敏化性能测试发现,NBTO/BTOC-n异质结染料敏化作用主要是由NBTO引发的。电化学交流阻抗和荧光光谱测试表明异质结的形成明显增强了光生载流子的分离效率。采用混合熔盐法制备了NBTO(Na0.5Bi2.5Ta2O9)纳米片、尿素热聚法及超声处理得到石墨相g-C3N4纳米片,并通过乙醇分散法成功制备了Na0.5Bi2.5Ta2O9/g-C3N4-n(NBTO/g-C3N4-n)异质结光催化剂。在可见光下,NBTO/g-C3N4-4异质结对Rh B降解率可达99.8%。UV-vis DRS分析表明g-C3N4的引入使催化剂光吸收扩展至可见光范围,SEM、TEM和FT-IR测试表明两相是以面-面接触的方式复合。此外,电化学交流阻抗和荧光光谱测试说明NBTO纳米片与石墨相g-C3N4纳米片2D-2D的结合方式能够快速传导光生载流子,进而增强了光催化活性。催化活性对比实验表明,NBTO/g-C3N4-4相对于几种二氧化钛类(P25、N-TiO2和Zn,N-TiO2-x)、BiTaO4 SCNs、NBTO SCNs和NBTO/BTOC-10,具有最好的催化降解RhB的活性。
【图文】：

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达到实际应用的目标。因此，研究和开发新型高效地用于环境治理和新能源开发具有重要意义。反应的基本原理料是一类常见的半导体，具有半导体的能带结构特子充满状态的价带(VB)和无电子填充的导带(CB)，带宽度称之为禁带宽度(Eg)。如图 1-1，在光催化过剂上的光能大于半导体禁带宽度时，半导体价带上，在价带位置上产生一个空穴，在半导体内部产生子和空穴对会发生两个主要过程：(1)电子和空穴在热量或者以荧光的形式释放能量；(2)电子和空穴从成的电子具有强的还原能力，空穴具有强的氧化能穴和电子会与催化剂表面的受体物质(如有机物、应。由上述两个过程可知，在光催化过程中电子和应的发生。

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第 1 章绪论近年来，随着大量新型高效光催化材料的开发，光催化技术从基于实验室理论研究逐渐走向实际应用阶段，成为了科学研究领域最热点的研究方向之一[23]。目前，，已有大量的光催化材料被开发报道，已经应用于光催化杀菌除毒、室内空气清洁、有机物合成、自清洁抗菌玻璃、牙齿美白等领域[24]。如图 1-所示，不同催化剂由于其能带位置的差异，而其适用的催化反应不尽相同。光催化反应的研究主要涉及光催化降解有机污染物，光催化分解水制氢，光催化还原 CO2为有机燃料等方面。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB383.1

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