磷酸银—二氧化钛复合型材料的制备及光催化性能研究

发布时间：2020-04-21 19:09

【摘要】：近年来,基于环保的需求,利用半导体材料合成制备光催化剂的研究工作取得了一些重要成果。在众多半导体材料中,二氧化钛(TiO2)和磷酸银(Ag3PO4)因存在着巨大的潜力而备受关注。然而,二氧化钛受禁带宽度(3.2 eV)限制,在可见光下活性较低,粉体在溶液中易形成胶体,难以重复利用;Ag3PO4化学性质不稳定,易被还原成Ag单质限制了其应用发展。为此,本文针对TiO2和Ag3PO4两种光催化剂的缺陷,利用原位沉淀法,制备了二元复合型催化剂Ag3PO4-TiO2,通过改变复合材料的形貌、与低水溶性的AgI复合以及离子掺杂等手段以期改善其光催化活性及稳定性,具体研究工作如下:1、采用水热法制备二氧化钛纳米带(TNBs),研究了煅烧温度对二氧化钛纳米带形貌、晶型结构和催化性能的影响;采用原位沉淀法,在二氧化钛纳米带(TNBs)上负载Ag3PO4,以提高复合型催化剂的光催化活性。研究结果表明,二氧化钛纳米带(TNBs)在600℃条件下进行煅烧后,具有最优催化活性;通过在二氧化钛纳米带(TNBs)上负载Ag3PO4.构成的二元复合型催化剂(Ag3PO4-TNBs)具有双带隙结构;当Ag3PO4与TNBs的摩尔比为3:10时,在模拟太阳光照射下,其催化效果最佳;与纯Ag3PO4的相比,复合型催化剂的稳定性提升了 39.2%;在催化体系中,空穴在降解罗丹明B的过程中起着主要的作用。2、针对二元复合型催化剂Ag3PO4-TNBs循环性能欠佳的问题,采用溶度积较低的AgI对Ag3PO4-TNBs进行修饰,制备了三元复合型催化剂AgI-Ag3PO4/TNBs。研究表明,当AgI与Ag3PO4摩尔比为3:5时,三元复合型催化剂AgI-Ag3PO4/TNBs具有最佳的光催化效率;与二元复合型催化剂Ag3PO4-TNBs相比,三元复合型催化剂AgI-Ag3PO4/TNBs的稳定性得到了明显改善,五次循环后,降解率从原来的64.2%提升至85.8%;实验证实AgI可有效抑制Ag3PO4在溶液中的还原反应,有效提高三元复合型催化剂稳定性;在催化体系中,起主要作用的是空穴和超氧自由基。3、采用水热法,制备了三维结构的二氧化钛纳米花TiO2(3D),研究了反应条件对TiO2(3D)形貌的影响。结果表明,当水热保温时间为14h,且溶剂为乙二醇时,催化剂形貌最好;当三维结构的TiO2(3D)在600℃条件下煅烧后,具有最优的催化活性;通过原位沉淀法,将掺杂硫酸根的Ag3PO4负载在三维结构的TiO2(3D)表面上,制备了三维复合型催化剂Ag3PO4(S042-)-TiO2(3D)。研究表明,TiO2(3D)对控制 Ag3PO4(SO42_)粒径起到很好效果;当三维复合型催化剂中硫元素的原子比为0.59 at%时,三维复合型催化剂可在20 min内使罗丹明B降解率达到99.1%,并且循环5次后催化效果仍保持在87.6%。在催化过程中,空穴在降解过程中起主要作用。
【图文】：

二氧化钛光催化,机理

北京化工大学专业硕士学位论文体光催化原理逡逑剂多为半导体材料，其能带结构是由价带（Ｖａｌｅｎｃｅ邋Ｂａｎｄ，邋ＶＢ）ｎ邋Ｂａｎｄ，ＣＢ）组成，两者之间的距离称为禁带宽度（Ｅｇ）。在没有激上的电子受禁带区域制约很难跃迁到导带。当入射光能量与材料于材料的禁带宽度时，电子才会从价带向导带迁移。价带位置上带正电的空穴，形成电子（ｅ＿）－空穴（ｈ＋）对〃４］。一部分空穴和半导体内部复合，另一部分受催化剂内部电场影响分离，迁移至。光生电子与环境中的溶解氧或氧化性物质作用生成超氧自由基（带有很强的氧化能力，会将催化剂表面吸附的有机污染物氧化成。羟基自由基氧化能力极强，，可以将任何有机物的化学键断开，水和二氧化碳。以二氧化钛半导体材料为例，解释光催化反应机下［１５１，机理图见１－１所示。逡逑

示意图,晶型转变,示意图,二氧化钛

逡逑值及温度下的形貌转变和晶型转换的关系图，如图１－２所示。以制备二氧化钛纳米纤逡逑维为例，二氧化钛原料在（１０邋ｍｏｌ／Ｌ）高浓度的氢氧化钠溶液中，保持水热温度在１５０°Ｃ，逡逑反应一定时间，再经过酸洗水洗可得钛酸纳米纤维。后经４００°Ｃ、７００°Ｃ、１０００°Ｃ温度逡逑煅烧得到晶型分别为Ｔｉ０２－Ｂ、锐钛矿相和金红石相的二氧化钛纳米纤维。Ｗａｎｇ及其逡逑合作者［４７］将钛粉为原料，以ＮａＯＨ和Ｈ２０２为溶剂，通过简单的水热法制备出了三维逡逑二氧化钛纳米花结构。该结构由多个纳米薄片自组装而成，提供了超大的比表面积，逡逑可用作太阳能电池、生物传感器以及催化剂应用的支撑材料。这表明反应过程中的工逡逑艺参数可以调控二氧化钛的形貌，如反应环境中的ｐＨ值，水热温度和保温时间等。逡逑因此，不同形貌的二氧化钛均可以在特定的条件下合成。逡逑Ｔｉｔａｎａｔｅ邋４00＞0邋？邋Ｔｉ０３－Ｂ邋７0ｑ°ｃ邋Ａｎａｔａｓｅ逡逑ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ逦ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ逦ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ逡逑Ｒｕｔｉｌｅ逡逑＾逦逦邋ｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒｓ逡逑Ｔｉ０２邋逦逡逑Ｔｉｔａｎａｔｅ逦？Ｎａ＊逦Ｓｏｄｉｕｍ邋ｔｉｔａｎａｔｅ逡逑＾邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ逦－ｈ＊逦ｎａｎｏｔｕｂｅｓ逡逑Ｓｈｏｒｔ邋ｔｉｔａｎａｔｅ邋ｉ／逦Ｖｆ
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O644.1

【参考文献】