能带结构和助催化剂对臭氧光催化水处理过程的影响研究

发布时间：2020-06-07 14:02

【摘要】：太阳能是地球万物的能量来源,并且永不枯竭。利用太阳能光催化技术解决当前人类所面临的水污染问题,被认为是最具前景的水处理技术之一。受限于当前半导体材料非常低的光催化效率,单纯的光催化过程还远远难以达到实际应用的要求。然而,将臭氧引入光催化过程,即臭氧光催化技术,可通过臭氧与光催化之间的协同效应产生大量的活性氧自由基,从而提高光催化过程的氧化效率。本文以三氧化钨(WO_3)和钒酸铋(BiVO_4)作为模型催化剂,研究了半导体催化剂能带结构和助催化剂负载对于臭氧光催化过程的影响,并得到如下结果:(1)通过水热法和煅烧法合成了三种具有不同晶相、晶面暴露的WO_3催化材料,都能激发臭氧和可见光催化之间的协同效应,显著提高光催化降解草酸和头孢氨苄的效果。通过XPS、UV-Vis DRS测定三种WO_3的能带结构,结合污染物降解结果,发现更高的导带位置有利于臭氧与光生电子之间的反应,进而有利于催化效率的提高。通过电子顺磁共振波谱技术发现,WO_3催化的臭氧光催化过程可以通过两条反应路径生成羟基自由基(·OH):(i)光生电子的一电子还原臭氧反应;(ii)光生空穴氧化氢氧根反应。(2)在臭氧光催化过程中,臭氧的二重作用被实验证明:(i)臭氧直接分解污染物,直至形成难降解中间产物;(ii)臭氧捕获光生电子,这既抑制了光生电子-空穴对复合,提高了光催化效率,又通过臭氧自身被光生电子还原的反应,高效生成了·OH。通过以上双重作用,提高了污染物降解效果。通过结合自由基演变路径理论,深刻理解了pH值的影响。(3)合成了一种氧化锰(MnO_x)负载的树枝状BiVO_4高效催化剂。实验结果表明,在臭氧光催化体系中,负载的MnO_x助催化剂具有三重作用:(i)提高催化剂的光吸收性能;(ii)促进光生空穴的迁移,促进光生电子和空穴对的分离;(iii)作为高效的臭氧催化剂,提高了臭氧的利用率,增强了污染物降解效果。
【图文】：

晶面,晶体结构,半导体光催化,体材料

a）不同晶面暴露的 WO3和不同晶面暴露的 B (a) WO3and (b) BiVO4with different facet expo体材料大多存在不同的晶体结构。不同性质。晶体结构可以影响半导体光催化面反应的发生。近年来，对 TiO2的研

碳材料,维度,石墨

相应的碳材料分别是富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨等，见图1-4。其中石墨和石墨烯具有较多的边缘原子和悬空的键，这些都具有较高的能级，非常容易被 H 或者其他杂原子修饰。虽然石墨烯通常可以由石墨制备得到，，但是石墨烯具有特有的超强强度与较高电子迁移率。这些都是形貌不同所导致的不同性质[32]。对于晶体物质，不同形貌的半导体催化剂其实同时具有了不同晶面的暴露情况，相应的反应活性位点也具有不同的分布情况，形貌与晶面互为因果关系。不同形貌的催化剂一般也具有差异较大的比表面积，通过调控形貌可制备大比表面的催化剂。另外，催化剂的不同尺寸也会影响催化剂本征物理化学性质。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703;TQ426

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