长余辉支持光催化材料和长余催材料余催化性能的研究及应用

发布时间：2020-02-18 19:11

【摘要】：二十世纪以来,环境污染日益严重,在处理环境污染方面,光催化技术由于其具有工艺简单、操作条件易于控制、光催化材料易得、能耗低、无二次污染和降解物质彻底等特点,从而引起了人们的广泛关注,二氧化钛(TiO2)因具有强氧化性、无毒性、光化学腐蚀性和成本效益等优点被作为一种最常见的光催化剂广泛应用于环境治理。然而,使用二氧化钛的光催化降解需要连续的紫外线照射,因此它在光源不存时是不工作的。为了使TiO2可以在夜间或低透明污水中降解有机污染物,我们合成一种高效的紫外长余辉发光材料CdSiO3:Gd3+,Bi3+。CdSiO3:Gd3+,Bi3+的长余辉发光光谱可以通过改变Bi3+掺杂量调整,并且最佳样品余辉光谱的68.7%可以有效的与TiO2的吸收带重叠。CdSiO3:0.5%Gd3+,0.5%Bi3+的长余辉发光时间可以持续约6小时。为了评估其支持TiO2光催化的能力,我们通过溶胶凝胶法合成了CdSiO3:Gd3+,Bi3+@TiO2复合材料。通过材料表征我们发现TiO2纳米颗粒成功的包覆在块体CdSiO3:Gd3+,Bi3+材料表面。CdSi O3:Gd3+,Bi3+支持TiO2的光催化能力是通过分解亚甲基蓝来进行评估。结果表明,高效紫外长余辉材料CdSiO3:0.5%Gd3+,0.5%Bi3+不仅可以在黑暗环境中支持TiO2的光催化降解,并且在紫外线照射下,每单位质量的TiO2光催化活性也显著增加。因此,CdSiO3:Gd3+,Bi3+@TiO2复合材料可作为一种有效的功能型光催化剂在夜间或低透明的污水中处理污染物。然而这个过程是一个间接复杂的能量传递过程:光源→长余辉材料→光催化材料,能量传递过程必然伴随着能量的损失。此外,长余辉材料的余辉发光在溶液中存在严重的猝灭作用,并且光催化剂对余辉光的吸收效率低下,因此可以推断的是此种方案的能源利用率不高。综上所述,目前用余辉光支持光催化还有很多迫在眉睫需要被解决的问题。结合光催化和长余辉的物理化学过程,我们设计了一个新的概念,叫做“长余催(LPPC)”。根据这个概念,我们使用水热法来制备首个长余催材料MgGa2O4纳米棒。RhB分解实验表明,去除照射光源后置入在黑暗环境中的MgGa2O4纳米棒仍然能够不断地降解RhB,虽然目前的MgGa2O4纳米棒LPPC效率比较低,这个有趣的发现仍然是意义巨大的,如果能够找到一种高效LPPC材料将解决目前光催化剂不能够在夜间或者不透明污水中降解污染物的难题。为了解决MgGa2O4材料的效率低下问题,我们开发了一种新型高效的LPPC材料:黑色芍药花状Bi OCl。研究发现,这种材料能够在移除可见光后有效降解RhB染料。这个发现为实现光催化的全天候应用提供了一个有效的解决方案。这种材料的余催化性能是通过一系列降解实验来评估,在此基础上,我们提出了一种可能的LPPC机理。
【图文】：

价带,活性基团,还原反应,导带

84-85光催化的反应过程正如图1所示，在光照的作用下，价带(VB)中的电子(e-)被激发到导带(CB)从而在价带中留下一个空穴(h+)。随后，导带中的电子转移到材料的表面在水溶液中与氧化剂(O2)之间的发生还原反应，并且价带中的空穴与还原剂(H2O)之间的发生氧化反应，最终的结果就导致在材料表面生成游离态的活性基团羟基自由基( OH)，，这些活性基团溶液中的有机物发生二次氧化还原反应，降解掉溶解在水中的有机物。图1 光催化反应机理图影响光催化反活性的因素有很多，对某种特定的光催化材料影响其活性的因素有：光源及光照的强度

光谱图,长余辉发光,长余辉,余辉

在图 5（a）中可以看出，长余辉发光的强度在单对数坐标中初始很快下降，然后变慢。仅仅 30 分钟后，长余辉发光的强度下降到初始强度（= 0 秒）的 4.7%。坦率地说，由于快速衰减，长余辉发光在后期缓慢衰减阶段（T>30分钟）可能太弱，不足以有效的支持光催化分解二氧化钛。事实上，真正的有效支持 TiO2光催化降解污染物的时间我们还需要通过实验进行讨论。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;O644.1

【参考文献】