钨酸铋基复合材料的设计合成及其光催化性能研究
发布时间：2020-04-08 10:57
【摘要】：全球能源结构持续演变,能源强度需求所带来的是严峻的环境问题,特别是有机废水又属于生物不可降解。传统的治理路径,如沉淀分离法、吸附分离法并不能高效消除有害物质,而现代技术则是基于半导体的非均相光催化反应过程和直接在太阳光下催化剂的活化驱动氧化-还原反应。利用非均相光催化反应体系将资源丰富的光能转变为化学能以达到百分百矿化有毒有机废液或有机废气目的,且不会造成二次环境污染,是一项理想的环境污染控制技术。以TiO_2为代表的这类光催化剂对光响应的范围偏窄,仅局限于紫外光区域并且量子效率较低。目前,许多研究都致力于合成吸光性较好、高量子效率、高稳定性、大比表面积以及易回收的光催化剂,使其具有高的光催化效率。在众多催化材料中,铋基复合材料,尤其是钨酸铋基改性材料因由钙钛矿型(WO_6)~(2-)层和[Bi_2O_2]~(2+)交叉堆积而成,价带由Bi 6s轨道和O 2p轨道杂化构成,导带由W 5d构成而具备独特的结构和优异的可见光催化性能而备受关注。钨酸铋纳米材料的改性合成及其性能研究也成为光催化材料研究的热点之一。本文以钨酸铋为基础光催化材料,采用溶剂热法成功制备了g-C_3N_4/PPy/Bi_2WO_6三元花状复合材料,以及Bi_2WO_6/TiO_2二元纳米带复合材料,并对两种复合材料的形貌结构、生长机理和光催化性能进行全面系统的研究。硕士阶段的研究工作主要包括以下两个部分:(1)以硝酸铋、钨酸钠分别为铋源、钨源,通过水热法利用PPy和g-C_3N_4与Bi_2WO_6分子间相互作用成功制备了类似花状结构的g-C_3N_4/PPy/Bi_2WO_6复合材料。其中使用三聚氰胺(C_3H_6N_6)为原料,采用热缩聚合法制备石墨相氮化碳(g-C_3N_4)纳米片;用化学氧化法,以吡咯为单体制备聚吡咯(PPy)。通过XRD、SEM、TEM、BET、FT-IR、XPS、DRS技术系统研究g-C_3N_4/PPy/Bi_2WO_6的形貌、结构以及吸光性能。花状g-C_3N_4/PPy/Bi_2WO_6是由25nm的g-C_3N_4纳米颗粒和100-200nm的PPy颗粒修饰在3D Bi_2WO_6花球的纳米片上,花球尺寸大概在3-5μm。我们对其生长原理进行了探讨发现奥斯特瓦尔德熟化是花状结构形成的关键机理。最后通过评估在可见光下降解罗丹明B的效率,并与g-C_3N_4、Bi_2WO_6、PPy/Bi_2WO_6、PPy/g-C_3N_4、g-C_3N_4/Bi_2WO_6样品做了对比,探索在复合材料光催化性能中高分子材料的影响。实验结果表明:PPy在多组分复合材料中担任g-C_3N_4、Bi_2WO_6之间的电荷传输桥,Z体系保留了g-C_3N_4导带(CB)中具有高还原能力的电子和Bi_2WO_6价带(VB)中具有高氧化能力的空穴,所以Z体系g-C_3N_4/PPy/Bi_2WO_6在可见光下的光催化效果优于g-C_3N_4、Bi_2WO_6、PPy/Bi_2WO_6、PPy/g-C_3N_4、g-C_3N_4/Bi_2WO_6样品。(2)利用P25纳米颗粒,以三步法:碱水热法、酸处理法和热退火法,自组装制备TiO_2纳米带。引入铋源、钨源再进一步通过溶剂热法,经乙二醇的络合作用将Bi~(3+)成功负载在TiO_2表面制备了Bi_2WO_6/TiO_2纳米带。以在紫外光、可见光下对罗丹明B(RhB)的降解效率为评价标准,探究不同的Bi_2WO_6摩尔含量对Bi_2WO_6/TiO_2异质结的作用。当Bi_2WO_6与TiO_2处于最佳摩尔比率时,异质结作用使光催化性能最优化,即在可见光照射下,当Bi_2WO_6:TiO_2的摩尔比率在0.3:1时,50mg的Bi_2WO_6/TiO_2催化剂在150min内降解了60%的20mg/L的RhB。
【图文】：
图 1.1 半导体分类示意图：（a）本征半导体，（b）n 型半导体，（c）p 型半导体Figure 1.1 Schematic diagram of semiconductor classification: (a) intrinsic semiconducto(b) n-type semiconductor, (c) p-type semiconductor.半导体的分类类型有很多,半导体就是否含有杂质而言，分为本征半导图 1.1a）和杂质半导体（图 1.1b-c）[8]。本征半导体没有晶格缺陷，并且晶构中完全不含杂质元素，例如纯化的硅和锗单晶。根据掺杂的元素不同，半导体进一步分为 n（negative）型半导体（图 1.1b）和 p（positive）型半（图 1.1 c）。当正电中心是负离子空位或间隙中是正离子时，正电中心束电子很容易挣脱到导带，正电中心起到供给电子的施主作用，成为导带中由电子，这种半导体是 n 型半导体（施主能级 Ed靠近导带底部 Ec）。未被的多余电子的能级称为施主能级（局部态），它只存在于施主杂质原子附近[负电中心是正离子空位或间隙中是负离子时，负电中心束缚的空穴很容易
污染物的吸附性能有影响，例如多壳中空的 Bi2WO6微球[10]、心球[11]等。另外，半导体材料的尺寸对光生载流子的传输速率影子点组装的三维中空 Bi2WO6结构[12]和 Bi2WO6量子点/g-C3N4等。导体催化剂提高其光催化性能的方法有很多，如离子掺杂、助复合和染料光敏化等。子掺杂是利用物理化学方法将离子掺杂到半导体晶格中引起晶体形态，引起半导体的能带结构或者影响电子空穴的运动状态位须与半导体的导带和价带匹配。同时，多种类型的离子共掺以 Bi2WO6为例，已报道的掺杂元素有非金属元素 Cl[14]，，Br[15[18]，碱土金属元素 Mg[19]，过渡金属元素 Ni[20]，Cu[21]，Ag[22过渡金属镧系元素 Ho/Yb[25]，La[26]等。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O643.36;O644.1;X703
【图文】：
图 1.1 半导体分类示意图：（a）本征半导体，（b）n 型半导体，（c）p 型半导体Figure 1.1 Schematic diagram of semiconductor classification: (a) intrinsic semiconducto(b) n-type semiconductor, (c) p-type semiconductor.半导体的分类类型有很多,半导体就是否含有杂质而言，分为本征半导图 1.1a）和杂质半导体（图 1.1b-c）[8]。本征半导体没有晶格缺陷，并且晶构中完全不含杂质元素，例如纯化的硅和锗单晶。根据掺杂的元素不同，半导体进一步分为 n（negative）型半导体（图 1.1b）和 p（positive）型半（图 1.1 c）。当正电中心是负离子空位或间隙中是正离子时，正电中心束电子很容易挣脱到导带，正电中心起到供给电子的施主作用，成为导带中由电子，这种半导体是 n 型半导体（施主能级 Ed靠近导带底部 Ec）。未被的多余电子的能级称为施主能级（局部态），它只存在于施主杂质原子附近[负电中心是正离子空位或间隙中是负离子时，负电中心束缚的空穴很容易
污染物的吸附性能有影响，例如多壳中空的 Bi2WO6微球[10]、心球[11]等。另外，半导体材料的尺寸对光生载流子的传输速率影子点组装的三维中空 Bi2WO6结构[12]和 Bi2WO6量子点/g-C3N4等。导体催化剂提高其光催化性能的方法有很多，如离子掺杂、助复合和染料光敏化等。子掺杂是利用物理化学方法将离子掺杂到半导体晶格中引起晶体形态，引起半导体的能带结构或者影响电子空穴的运动状态位须与半导体的导带和价带匹配。同时，多种类型的离子共掺以 Bi2WO6为例，已报道的掺杂元素有非金属元素 Cl[14]，，Br[15[18]，碱土金属元素 Mg[19]，过渡金属元素 Ni[20]，Cu[21]，Ag[22过渡金属镧系元素 Ho/Yb[25]，La[26]等。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O643.36;O644.1;X703
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本文编号：2619262
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