配位聚合物模板法制备铁基氧化物光催化材料及性能研究

发布时间：2020-06-14 22:32

【摘要】：光催化技术可以实现太阳能至化学能的有效转化,应用在有机污染物处理领域,可以将水体中的有机物污染物分解为无毒的无机产物,有助于解决世界性的环境问题。制备具有合适带隙的可见光响应半导体光催化剂、促进光生电子-空穴对的有效分离是光催化技术实际应用的关键。铁基氧化物以及铁基复合氧化物(铁酸盐)具有合适的禁带宽度,化学和光化学稳定性良好。特定的结构对铁基氧化物以及铁基复合氧化物的光催化性能有着重要的影响,特殊的空心结构或者分级结构有利于提高可见光的吸收和载流子的分离。本文选择热解金属有机配位聚合物前驱体制备铁基氧化物光催化剂。与其他常见模板或者前驱体相比,金属有机配位聚合物具有独特的结构和孔隙率,这种独特的优势有助于开发一系列具有特定可控形貌的纳米材料。通过选择具有特殊形貌的金属有机配位聚合物并且在合适的实验环境进行转化,可以获得具有期望形貌的铁基氧化物以及铁基复合氧化物。通过简单的溶剂热法结合后续热处理制备了磁性可分级ZnFe_2O_4/g-C_3N_4复合光催化剂。前驱体微球由纳米粒子组成,由于g-C_3N_4纳米片的空间限制效应,金属配位聚合物前驱体纳米粒子直径受到限制。热解之后次级结构得到很好的保留。在降解过程中,g-C_3N_4表面产生的光生电子迁移到ZnFe_2O_4表面,促使光生电子-空穴对的有效分离。ZnFe_2O_4/CN-150光催化剂降解动力学常数比纯Zn Fe_2O_4的动力学常数提高10倍以上。此外,复合光催化剂具有抗光腐蚀的化学稳定性,其铁磁性使其可磁性回收并方便地重复使用。通过微波溶剂热法制备了Fe-MIL材料,通过调节溶剂种类获得了具有分级结构的中心棒状形貌前驱体。空气气氛下,在不同温度条件下进行热处理,可以获得不同物相的氧化铁材料。在可见光条件下,使用相应材料降解有机污染物,研究了物相对氧化铁光催化剂性能的影响。发现500摄氏度热解前驱体制得的γ相α相两相复合的Fe_2O_3光催化剂性能较好,这是因为具有匹配能带结构的两种物相紧密结合,构建有效的同质异相结,使得光生电子与空穴有效分离。氧化铁除了可以作为光催化剂,还可以用作锂电负极材料。使用微波溶剂热法制备的Fe-MIL材料作为前驱体,通过两次烧结的方式,制得了γ-Fe_2O_3材料。γ-Fe_2O_3锂电负极材料表现出了优秀的比容量和良好的循环稳定性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O644.1
【图文】：

示意图,半导体光催化,原理,示意图

图 1-1 半导体光催化原理示意图催化过程中产生的空穴或者羟基自由基有分的有机物，在室温下可实现对有机污染。经过几十年研究，以 TiO2为主的一系列氧化的技术对象，环境光催化主要分为液-固反应将能量密度较小的太阳能转换为能量密领域时，可以将水体中的有机物污染物降技术还可以应用于有机化合物的处理、无机

示意图,复合光催化剂,制备流程,示意图

其平均光催化析氢速率高达 1430.1 μmol g-1h-1，是未处理样品的 4.3 倍（334.3 μmol g-1h-1）[9]。研究发现这种改性的 g-C3N4表现出多孔结构和本征电子/能带结构调制，这导致了更大的比表面积和更多的表面反应位点、延长光吸收范围以更有效地利用可见光，上移的导带位置具有更强的还原性和更有效的光生载流子分离效果，最终有利于提高光催化析氢活性。g-C3N4具有二维平面结构，其结构和石墨烯类似，可以作为基底材料负载其他半导体光催化剂，通过与其他半导体材料构建复合光催化剂来抑制载流子的复合，特殊的形貌和结构同时可能有助于提高其光催化活性。研究人员已经开发了 TiO2-C3N4[41]，AgBr-C3N4[18]，Bi2WO6-C3N4[47]，BiVO4-C3N4[22]等多种复合光催化剂，复合结构可以增加光吸收并提高量子产率[14, 48]。Hongjun Dong 首先利用选择性光沉积技术合成了高分散的 Ag/Fe3O4/g-C3N4复合光催化剂[12]，其制备流程示意图如图 1-2 所示。除了保留有利于再循环的磁性能外，复合光催化剂还显示出降解四环素的光催化活性，而且稳定性得到明显改善。增强的光催化活性来源于 Ag，Fe3O4和 g-C3N4的协同作用，复合提高了光吸收能力和载流子的分离效率。这项工作提供了一种有前途的方法来开发可以循环利用的应用于抗生素废水处理的可见光响应光催化剂。

【参考文献】