碳基复合材料的制备及其在环境光催化中的应用

发布时间：2020-08-06 06:09

【摘要】：作为缓解环境污染和能源危机最具前景的策略之一,可见光驱动的多相光催化技术引起了人们的广泛关注。目前,已经报道了大量的半导体光催化材料应用于环境治理。但由于催化材料的可见光利用率低,光生电子和空穴的快速复合等缺点,使其无法高效的消除有机污染物。构筑复合光催化剂是提高光催化性能的有效策略之一。由于碳基复合光催化剂具有优异的光电性能、良好的化学稳定性、低成本、易于制备等优点,在各类光催化应用中引起了研究者的广泛兴趣。本文主要研究了高效碳基复合材料的制备及其光催化性能,主要成果如下:制备了C/CaFe_2O_4纳米棒复合材料,并考察了碳的修饰对光催化活性的影响。结果表明复合材料的光催化降解活性与C和CaFe_2O_4之间的质量比密切相关。当碳含量为58 wt%,显示出最优的催化活性,其降解亚甲基蓝(MB)的动力学常数(0.0058 min~(-1))是铁酸钙的4.8倍。此外,吸附等温线的结果表明MB以单分子层形式吸附在铁酸钙纳米棒表面。总体而言,C覆盖在CaFe_2O_4表面,使光生电子和空穴更有效的传输和分离,既提高了催化剂对MB的吸附性能,又可以显著增强催化剂对光的吸收能力,从而提高了光催化活性。采用原位沉淀法成功合成了新型高效的Ag_6Si_2O_7/碳复合光催化剂,并在可见光(λ420 nm)条件下对罗丹明B(RhB)的光催化降解活性进行了评价。研究发现Ag_6Si_2O_7的含量对复合光催化剂的降解活性具有重要的影响,当Ag_6Si_2O_7含量为50 wt%,复合材料显示出最优的催化活性,其表观反应速率常数是纯Ag_6Si_2O_7的3.0倍,是碳的5.4倍。此外,通过自由基捕获实验发现在光降解RhB的过程中,空穴和羟基自由基起着重要的作用。最后,采用高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)分析了RhB在光催化降解过程中的中间体,并提出了一种可能的光催化降解途径。
【学位授予单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;O643.36
【图文】：

半导体TiO2,形成机理,中电子,空穴

图 1-1. 半导体 TiO2中降解水中污染物中电子空穴对的光致形成机理面催化机理的分析，因此需要足够光辐射能量才能激发半导体跃迁，下图 1-2 中给出了常见氧化物和硫化物半导体在 pH=0缘位置[8-12]，并简要讨论了带边与电子结构之间的关系。我们体的电子结构与水的氧化还原电位（能带边的能量势可以从绝solute Vacuum Scale，AVS）中的值反推：E(NHE)= E(AVS)-4.50，eV）很好地匹配生成氢气和氧气分子，满足水分解的热力学要物的导带由金属轨道构成，而价带由 O2p轨道构成，其氧化还的氧化势(OH-/O2)，而其价带边缘大多小于水的还原势(H2/H+nO2的导带底还远低于水的还原电势，是带隙极窄的半导体，光催化水产氢的能带结构。金属硫化物中大部分的价带的边缘，也低于水的氧化势(OH-/O2)，其中少量的金属硫化物的价带，如 FeS，CoS，CuS，NiS4，PbS 等的价带和导带带隙均在在化电势之间，其能带结构并不满足光催化分解水的电位要求。

价带,导带,金属氧化物半导体,金属硫化物

图 1-2. 常见金属氧化物半导体和金属硫化物在 pH=0 处导带边和价带边的能量位置，空心底部和空心顶部分别表示导带边和价带边1.3 半导体光催化剂的改性近几十年来，光催化技术快速的发展，研究者们开发出了许多具有良好光催化性能的催化材料。但是若想将这些光催化材料在工业中大规模的应用，还需要解决光催化活性不高，光吸收利用率低，光催化材料的稳定性差等问题，因此还需进一步对其进行改性和修饰。光催化过程中，半导体材料首先在光激发下产生光生载流子，然后光生载流子有效的分离，最后由电子或空穴参与生成的活性物种在催化剂表面反应。因此，为了提高材料的光催化活性常采用的策略有两种：其一是减小光催化剂的带隙，使其光吸收范围更宽；其二是提高光生载流子的分离效率，使光生电荷能更有效的参与光催化反应。通过不懈的努力，研究者发现通过以下几种手段可有效的提高光催化性能[12-16]。离子掺杂一般而言，金属氧化物半导体的导带主要由金属离子的空轨道构成，而价带

示意图,金属离子掺杂,能带结构,共掺杂

碳基复合材料的制备及其在环境光催化中的应用备了 TiO2:Rh/Sb 光催化剂，对其光化学和光催化性能的影响，共掺杂后使的 TiO2在可见光区有一个吸收带，带隙为 2.1 eV，高价 Nb5+、Ta5+或 Sb5+离子等的共掺杂可以有效抑制 Rh4+离子和氧缺陷的形成，提高催化活性。

【参考文献】