高效铋系光催化材料的设计合成及性能调控

发布时间：2020-08-13 09:39

【摘要】：研制和开发高性能的铋系光催化材料对于解决日趋严重的环境污染和能源危机等问题,具有重要的科学意义和实用价值。然而,已报道的铋基光催化材料由于自身结构和功能缺陷,普遍具有较低的光生电荷分离效率和较差的光催化活性及稳定性。研究表明:材料的微观结构(形貌、尺寸、维度、晶面,比表面等)与光催化性能密切相关。因此,我们通过设计不同的合成路线对铋基光催化材料的微观结构进行了调控,具体工作如下:超薄纳米片组装的多级结构是材料化学和光催化领域的研究热点之一,因为这种材料可以结合多级结构和超薄材料的优点。我们以预先制备的Bi_(25)VO_(40)微立方块作为Bi~(3+)的前驱体,采用一种简单的离子交换法,合成出了由厚度为3-5 nm的超薄纳米片组装而成的新型多级多孔结构的Bi_(24)O_(31)Br_(10)。实验表明,Bi_(24)O_(31)Br_(10)分层结构具有较高的比表面积(?67.16 m~2/g)和丰富的介孔结构,对高浓度的罗丹明B(RhB)具有较强的吸附能力。通过计算得出该产品的最大吸附量为24.4 mg/g。光催化结果表明,制备的Bi_(24)O_(31)Br_(10)样品表现出显著的结构引起的光催化性能增强。紫外-可见光照射12 min后,96%的RhB溶液(40mg/L)完全分解。此外,活性捕获实验表明,光生空穴在RhB分子降解过程中起主要作用。由超薄纳米片构成的,贵金属纳米颗粒修饰的多级复合光催化剂,由于其独特的微观结构和功能组合而被认为是提高光催化性能的有效方法之一。因此,我们通过简单的溶剂热合成方法,成功制备了Ag纳米颗粒修饰的饼状Bi_(24)O_(31)Cl_(10)多级结构。实验表明,所得样品由厚度为5-10 nm的Bi_(24)O_(31)Cl_(10)超薄纳米片组成。Ag-Bi_(24)O_(31)Cl_(10)纳米复合材料在引入Ag纳米颗粒后,与纯Bi_(24)O_(31)Cl_(10)样品相比,降解罗丹明B的能力明显提高。Ag在异质结构光催化剂中的用量对光催化效率有显著影响,Ag负载量为4 wt%时,所得产物表现出最好的光催化活性。此外,我们还提出了一种Ag纳米颗粒修饰的饼状Bi_(24)O_(31)Cl_(10)多级复合光催化剂光降解活性增强的机理。掺杂型超薄二维半导体光催化剂由于其独特的微观结构,如优异的光吸收能力,更多的反应位点和有效的光诱导电荷转移能力而被认为是提高光催化性能的重要途径。因此,我们提出了一个简单的水热合成路线,用于构建厚度约为4 nm的Fe~(3+)掺杂的Bi_2Mo_2O_9超薄纳米片。实验结果表明,在Bi_2Mo_2O_9晶格中引入Fe~(3+)可以提高样品的光吸收能力,窄化其带隙。光催化结果表明,与纯Bi_2Mo_2O_9相比,掺杂Fe~(3+)后的Bi_2Mo_2O_9超薄纳米片对罗丹明B的降解效率明显提高。此外,还研究并提出了一种可能的光催化活性增强机制。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O644.1
【图文】：

流程图,非均相光催化,步骤,流程图

强自由基的帮助下（·OH 和 O2·-）把污染物完全矿化，转几种方法可以生成这些自由基来实现高级氧化过程，即基理、光催化等[2 5]。光催化降解技术是涉及半导体光催化和种高级氧化过程。光催化现象的研究首先源于“Honda-Fuj用二氧化钛的光电化学水分解有关。光催化是光照下光催应，反应前后催化剂保持不变。原则上，这是一种“绿色太阳能和空气中的氧气，可在环境温度和压力下进行，因。催化原理理上，多相光催化是涉及 5 个步骤的过程，污染物从大量剂表面上，光催化剂对污染物的吸附，光催化反应，产物流体相中的运输。如图 1.1 所示。

基本原理,光催化剂,中间产物,空穴

基本的光催化剂活化机制在如图 1.2 中表示。这包括吸收具有比光催化剂带隙（Eg）更大能量（= hν）的光子导致电子（e-）从其价带（VB）到导带CB）的转移，从而导致在价带（Eq（1））中产生空穴（h+）。但是这些分离空穴和电子可以重新组合并以释放热量的方式吸收能量（方程（2））。这些光电子和空穴然后分别与可用的氧化剂和还原剂反应，形成强有力且不稳定的由基（方程（3）和（4）），这些自由基与污染物反应并随后将其矿化成二氧碳和水，在反应过程中形成了一些中间产物（方程（5）和（6））。这些反应以总结如下：光催化剂 + hv → hVB++ eCB-(1)hVB++ eCB-→ 能量（热） (2)H2O + hVB+→·OH（羟基自由基）+ H+(3)O2+ eCB-→ O2· （超氧自由基） (4)·OH + 污染物 → 中间产物 → H2O + CO2(5)O2· + 污染物 → 中间产物 → H2O + CO2(6)

晶体结构,单斜,卤氧,光催化材料

图 1.3 BiVO4的两种晶体结构：四方（左）和单斜（右）Fig1.3 Two crystal structures of BiVO4: tetragonal (left) and monoclinic (right)4.4 BiOX (X = F, Cl, Br, I)卤氧化铋由于其光学特性，可被作为光催化材料。BiOX 的晶体结构由卤素原子与[Bi2O2]层交织排列组成。

【参考文献】