几种新型Z型光催化剂的制备及在氮硫氧化物转化的应用

发布时间：2020-06-15 01:07

【摘要】：亚硝酸盐和亚硫酸盐作为食品添加剂,被人们广泛地应用在食品加工的各个领域。亚硝酸盐在食品加工的过程中,主要用作发色剂、增香剂和防腐剂,特别是在人们喜爱的腌制食品中应用较多。但亚硝酸盐具有一定的毒害性。含有亚硝酸盐的废水排放到水体中会使水生生物机体代谢功能失调,免疫力下降,从而使其发生病变甚至死亡。亚硫酸盐由于其集漂白、防腐和抗氧化等多种功能于一身,而且价格又低,所以也被人们广泛地应用在食品加工的过程中。但含有亚硫酸盐的废水排放到水体中会使水生动物的神经系统和呼吸系统受到严重损害。因此,工业废水中的亚硝酸盐和亚硫酸盐的去除对于维持一个平衡稳定的水生生态系统来说非常重要。以半导体材料为核心的光催化技术为我们提供了一种比较理想的污染治理的新思路。光催化技术也可能是一种绿色的、清洁的、有效的处理亚硝酸盐和亚硫酸盐的方式。采用光催化技术可以使亚硝酸盐和亚硫酸盐同时在一个光催化体系中进行氧化还原反应。由于亚硝酸盐主要利用光催化系统的还原作用,而亚硫酸盐主要利用光催化系统的氧化作用,所以在同一个光催化系统中同时处理亚硝酸盐和亚硫酸盐可以相互促进他们各自的反应速率。近年来,Z型光催化剂在光催化领域以及声催化领域中都有广泛的应用。Z型光催化剂可以同时具有较强的氧化性和较强的还原性,并能拓宽光的响应范围。因此本文中选用宽带隙的半导体NiGa_2O_4和相对窄带隙的WO_3,BiSn_2O_7以及MoO_3分别形成了三种Z型光催化剂。提高Z型光催化剂效率的关键是增强光生电子-空穴对的分离效率。传统的方法是增加导电通道如贵金属,然而,使用的贵金属具有窄且固定的能级,可能偏离半导体的导带或价带位置,这不利于电子通过贵金属颗粒流动。此外,由于添加这些贵金属,电子的运行距离也增加了。考虑到以上几点,本文采用极窄带隙的半导体和蒽醌作为导电通道,使得光生电子-空穴对的分离效率得到了极大的提高,同时加快了电子的流动速度。本文制备了NiGa_2O_4/NiS_2/WO_3,Er~(3+):Y_3Al_5O_(12)@NiGa_2O_4/(NiS,CoS_2 or MoS_2)/Bi_2Sn_2O_7和NiGa_2O_4/AQ/MoO_3三种复合太阳光催化体系。并通过X-射线衍射(XRD)、光电流响应(IT)、电化学阻抗(EIS)、能量色散X射线光谱(EDX)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、光致发光光谱(PL)、傅里叶转换红外光谱(FT-IR)、紫外可见漫反射光谱(UV-DRS)和拉曼光谱(Raman)对上述催化剂的表面形态,晶体类型以及化学组成进行表征。此外,我们还研究了光照时间、光催化剂种类、pH值、牺牲剂等因素对三种光催化体系同时光催化转化NO_2~-和SO_3~(2-)效率的影响。对三种光催化体系的研究表明,亚硝酸盐和亚硫酸盐能同时在同一个光催化体系中进行氧化还原反应,并能相互促进其反应进程。窄带半导体作为导电通道的引入,解决了传统导电通道存在的问题,并进一步提高了光催化活性。通过对不同带宽窄带半导体导电通道的比较研究,结果表明在能级上具有近似台阶结构的导电通道光催化转化率最高。另外,蒽醌独特的化学和物理性质为Z型NiGa_2O_4/AQ/MoO_3光催化剂提供了一种新的电子转移方式,即电荷转移,它有效的加快了电子转移速率。本研究为将来利用太阳光同时转化亚硝酸盐和亚硫酸盐及其他环境污染物提供了一种新的途径。
【学位授予单位】：辽宁大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X792
【图文】：

XRD图谱,XRD图谱,颗粒

iS2, WO3, NiGa2O4/WO3和 NiGa2O4/NiS2/WO3的 XRD0.5wt％，NiGa2O4和 WO3质量比为 1：1）。NiS2, WO3和 NiGa2O4/NiS2/WO3样品的扫描析（SEM）研究了 NiGa2O4，NiS2，WO3和 NiGNiGa2O4）中，有许多大小约为 100-300 nm 的 NiGa2O4纳米颗粒。从图 1-2（WO3）所示的扫nm，宽 150 nm 和厚 30 nm 的长方体纳米粒子图 1-2 所示的球形颗粒（NiS2），尺寸约为 1，这些颗粒将在下一个制备过程中被粉碎和分S2/WO3），可以清楚地看到有许多尺寸在 100，这被认为是纳米 NiGa2O4颗粒的标志性晶体体颗粒是 WO颗粒。在 NiGaO和 WO颗粒

放大倍数,图谱,能量色散

图 1-3. 具有不同放大倍数的 NiGa2O4/NiS2/WO3的 TEM 图谱（（a）100 nm，（b）50 nm和（c）20 nm）。1.3.4 NiGa2O4, NiS2, WO3和 NiGa2O4/NiS2/WO3样品的能量色散 X 射线光谱(EDX)分析通过能量色散X射线能谱（EDX）可以确定元素的种类以及化学成分。图1-4（a）显示了O、Ni和Ga元素的峰，O、Ni和Ga的比例接近NiGa2O4的摩尔比例。图1-4（b）证明有两种元素，分别是Ni和S。Ni和S的百分比表明NiS2的组成。在图1-4（c）中，可以发现O和W原子的强信号峰，证明这两个元素构成了WO3。在图1-4（d）中，存在O、Ni、Ga、W、S五种元素，原子比例与NiGa2O4/NiS2/WO3中摩尔比的理论值相似，说明已经得到预测的Z型光催化剂。

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