氯氧化铋基光催化材料的制备及其性能研究
发布时间：2021-06-17 03:23
当今社会经济飞速发展,为我们的生活带来了诸多便利,但随之衍生出的能源短缺与环境污染问题已经严重威胁到了人类的生存和发展。随着光催化技术的成熟与发展,光催化技术被认为是解决人类当前面临的能源与环境问题最有希望的方法之一。其中,氯氧化铋（BiOCl）光催化剂因具有优异的稳定性、良好的电子传输性、无光腐蚀以及高光活性等优点而受到了广泛关注。但BiOCl存在禁带宽度大、光生电子-空穴复合效率高和光量子效率低等问题,因此在实际应用中受到了一定的限制。针对BiOCl的这些特点,本文以BiOCl为研究对象,酸性红B（ARB）为目标降解物,通过贵金属沉积、元素掺杂以及构建异质结三种途径对BiOCl进行改性来提高光催化活性。考察了样品的相结构、微观形貌以及光催化性能,同时对光催化机理进行了初步探讨,得到以下结论:（1）以AgNO3为Ag源,通过溶剂热法在BiOCl表面沉积贵金属Ag制备了Ag@BiOCl光催化剂,Ag以直径为40 nm的球形颗粒形式存在。基于Ag的表面等离子体共振效应（SPR）,成功将BiOCl的光响应范围拓展至可见光区域,降低了光生电子-空穴的复合效率,提高了电荷...
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化原理示意图
第一章绪论3近年来，光催化已经发展成为有机合成化学最重要的分支之一。光催化剂受到光的激发后，通过电子转移或能量转移来活化底物从而诱导反应，得到高附加值的产物。其反应条件相比传统的热反应更为温和、低能耗，因此该途径可以为有机合成提供新思路。此外，光催化技术也广泛应用于光催化杀菌消毒[10-12]以及CO2的还原[12]等领域。相信在以后的研究和发展中，光催化技术的应用会更加广泛。1.3BiOCl光催化剂1.3.1BiOCl的结构BiOCl是一种新型的铋系半导体光催化材料，具有优异的稳定性、良好的电子传输性能、高光活性和无光腐蚀等优点[13-14]。能带结构如图1-2(a)所示，可以看出，VB的顶端在Z点，CB的底端在R点，表明BiOCl属于间接带隙半导体材料。此外，BiOCl具有各向异性的层状结构，如图1-2(b)所示。[Bi2O2]2+的层间插入Cl-层，在[Bi2O2]2+和Cl-层之间形成的内部电场可以有效分离光生电子-空穴，从而增强其光催化活性[16-18]。图1-2BiOCl的能带结构(a)，BiOCl的晶体结构(b)[15]Fig.1-2BandstructureofBiOCl(a),crystalstructureofBiOCl(b)1.3.2BiOCl的制备方法近年来，关于BiOCl光催化剂的研究有了很大的进展，制备方法有多种，大致可总结如下：(1)水解法水解法是最常见的一种制备方法，其优点是操作简单、对设备的要求低、易于进行大规模工业生产。例如，Shi等人[19]将BiCl3溶解于HCl溶液中，然后加入一定量的水解剂，通过加入Na2CO3来调节溶液的pH值，制备出了结晶度良好的BiOCl光催化剂，光催化实验结果表明BiOCl的光催化性能明显高于TiO2(P25)。Li等人[20]在室温下将
第一章绪论5(1)掺杂改性掺杂是一种增强半导体光催化活性的常用方法，通过掺杂可以改变半导体的能带位置和光响应范围。对于BiOCl而言，大多数采用卤素(Br和I)掺杂，因为BiOCl、BiOBr和BiOI具有相似的层状结构、化学组成和原子排序，因此，卤素离子更容易进入晶格进行相互替换。例如Xie等人[39]采用快速、廉价、条件温和的固态化学法合成了大丽花状的BiOClxI1-x光催化剂，其在可见光下照射60min后对罗丹明B(RhB)的降解率最高可达到98%，相比于BiOCl具有更高的光催化活性。Qin等人[40]以2-甲氧基乙醇为溶剂，离子液体为Br源和结构导向剂，制备了Br掺杂的具有层状四方晶相的三维BiOCl1-xBrx分层微球，在可见光下实现了对四溴双酚A的高效降解。此外，除了卤素掺杂，还有金属离子掺杂改性。Gao等人[41]采用简单的燃烧法制备了Fe3+掺杂的红棕色Bi0.85Fe0.15OCl粉末，如图1-3所示。由图1-3(a)可知，Fe3+的掺杂使BiOCl的光响应范围拓展到了可见光区，图1-3(b)为可见光下对RhB的降解曲线，可以看出，Fe3+掺杂后的样品光催化活性均高于未掺杂的BiOCl。由此可以得出结论：Fe3+的掺杂增强了BiOCl的可见光光催化活性。2011年，Brijesh等人[42]报道了一种采用水解法制备Mn掺杂BiOCl光催化剂的方法。实验结果表明，Mn的掺杂可以有效减小BiOCl的带隙值，延长光生电子-空穴的寿命，可见光照射120min后可以使孔雀石绿完全脱色，表现出了较高的光催化活性。图1-3BiOCl和Bi1-xFexOCl的UV-VisDRS光谱(a)，可见光下RhB降解曲线(b)Fig.1-3UV-VisDRSspectraofBiOClandBi1-xFexOCl(a),RhBdegradationcurveundervisiblelight(b)(2)构建异质结构建异质结也是提高BiOCl光催化活性的一种有效途径，由于BiOCl属于宽禁带半
本文编号：3234363
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化原理示意图
第一章绪论3近年来，光催化已经发展成为有机合成化学最重要的分支之一。光催化剂受到光的激发后，通过电子转移或能量转移来活化底物从而诱导反应，得到高附加值的产物。其反应条件相比传统的热反应更为温和、低能耗，因此该途径可以为有机合成提供新思路。此外，光催化技术也广泛应用于光催化杀菌消毒[10-12]以及CO2的还原[12]等领域。相信在以后的研究和发展中，光催化技术的应用会更加广泛。1.3BiOCl光催化剂1.3.1BiOCl的结构BiOCl是一种新型的铋系半导体光催化材料，具有优异的稳定性、良好的电子传输性能、高光活性和无光腐蚀等优点[13-14]。能带结构如图1-2(a)所示，可以看出，VB的顶端在Z点，CB的底端在R点，表明BiOCl属于间接带隙半导体材料。此外，BiOCl具有各向异性的层状结构，如图1-2(b)所示。[Bi2O2]2+的层间插入Cl-层，在[Bi2O2]2+和Cl-层之间形成的内部电场可以有效分离光生电子-空穴，从而增强其光催化活性[16-18]。图1-2BiOCl的能带结构(a)，BiOCl的晶体结构(b)[15]Fig.1-2BandstructureofBiOCl(a),crystalstructureofBiOCl(b)1.3.2BiOCl的制备方法近年来，关于BiOCl光催化剂的研究有了很大的进展，制备方法有多种，大致可总结如下：(1)水解法水解法是最常见的一种制备方法，其优点是操作简单、对设备的要求低、易于进行大规模工业生产。例如，Shi等人[19]将BiCl3溶解于HCl溶液中，然后加入一定量的水解剂，通过加入Na2CO3来调节溶液的pH值，制备出了结晶度良好的BiOCl光催化剂，光催化实验结果表明BiOCl的光催化性能明显高于TiO2(P25)。Li等人[20]在室温下将
第一章绪论5(1)掺杂改性掺杂是一种增强半导体光催化活性的常用方法，通过掺杂可以改变半导体的能带位置和光响应范围。对于BiOCl而言，大多数采用卤素(Br和I)掺杂，因为BiOCl、BiOBr和BiOI具有相似的层状结构、化学组成和原子排序，因此，卤素离子更容易进入晶格进行相互替换。例如Xie等人[39]采用快速、廉价、条件温和的固态化学法合成了大丽花状的BiOClxI1-x光催化剂，其在可见光下照射60min后对罗丹明B(RhB)的降解率最高可达到98%，相比于BiOCl具有更高的光催化活性。Qin等人[40]以2-甲氧基乙醇为溶剂，离子液体为Br源和结构导向剂，制备了Br掺杂的具有层状四方晶相的三维BiOCl1-xBrx分层微球，在可见光下实现了对四溴双酚A的高效降解。此外，除了卤素掺杂，还有金属离子掺杂改性。Gao等人[41]采用简单的燃烧法制备了Fe3+掺杂的红棕色Bi0.85Fe0.15OCl粉末，如图1-3所示。由图1-3(a)可知，Fe3+的掺杂使BiOCl的光响应范围拓展到了可见光区，图1-3(b)为可见光下对RhB的降解曲线，可以看出，Fe3+掺杂后的样品光催化活性均高于未掺杂的BiOCl。由此可以得出结论：Fe3+的掺杂增强了BiOCl的可见光光催化活性。2011年，Brijesh等人[42]报道了一种采用水解法制备Mn掺杂BiOCl光催化剂的方法。实验结果表明，Mn的掺杂可以有效减小BiOCl的带隙值，延长光生电子-空穴的寿命，可见光照射120min后可以使孔雀石绿完全脱色，表现出了较高的光催化活性。图1-3BiOCl和Bi1-xFexOCl的UV-VisDRS光谱(a)，可见光下RhB降解曲线(b)Fig.1-3UV-VisDRSspectraofBiOClandBi1-xFexOCl(a),RhBdegradationcurveundervisiblelight(b)(2)构建异质结构建异质结也是提高BiOCl光催化活性的一种有效途径，由于BiOCl属于宽禁带半
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