氧化钨基光催化剂的设计及性能研究
发布时间：2021-10-24 08:00
随着社会的迅速发展,环境污染问题日益严重。印染废水污染是一种典型的工业污染,传统处理方法难以将其完全除去,而能够高效利用太阳能的光催化技术在此领域展现出优势,该技术具有节能、无二次污染等优点。发展光催化技术的关键在于设计和制备出高效的光催化剂,传统光催化剂如二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）等为宽带隙半导体,只对紫外光响应（仅占太阳光的5%左右）,不能有效利用太阳光中占50%左右的可见光。因而,发展新型可见光响应型光催化剂迫在眉睫。三氧化钨（WO3）为N型半导体,其带隙合适（Eg<3.1 eV）能被可见光激发,并具有光电流信号强、光敏性好等优点,被应用于光催化领域。但其光生电子和空穴易发生复合,导致光催化性能较低。本文以WO3为主要研究对象,从缺陷构筑、贵金属沉积、与半导体复合等方面对其进行修饰,旨在增加材料对有机染料的有效吸附、增强对可见光的吸收能力以及提高光生载流子的分离效率,从而提升其光催化性能。本论文的主要研究成果如下:（1）为增强有效吸附,采用溶剂热法制备WO3
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化反应机理示意图[7]
5能提供的活性位点少，这些缺点降低g-C3N4的光催化性能。Lu等人[21]采用一步热缩合氧化法合成具有层状多孔结构的g-C3N4纳米片，发现这一特殊结构拓宽了g-C3N4的带隙，使其氧化还原能力增强，在9min内对RhB的降解率达到99.4%，而体相g-C3N4对RhB的降解率仅为50.4%。图1.2g-C3N4的（a）三嗪环，（b）七嗪环结构Fig.1.2g-C3N4withthestructuresof(a)s-triazines,(b)tris-triazines卤化物由于其独特的光催化性质而引起人们的关注。其中的典型材料——卤化银是一种见光易分解的光敏材料，在太阳光照射下被激发，产生电子和空穴，光生电子将Ag+还原为Ag0。在光催化反应的初始阶段，Ag原子沉积在AgX材料上。反应进行到中间阶段时，金属Ag能捕获光生电子并促进电荷分离，电子不会将Ag+继续还原为Ag0，因而受到光照的卤化银半导体不会持续分解，显示出较高的光催化效率。Cao等人[22]采用简单的溶剂热法合成纯的AgX（X=Cl、Br、I）纳米材料，在可见光照射下降解RhB有机染料和无色抗生素OTC，并对其稳定性进行研究。实验结果表明，AgX具有良好的光催化性能和稳定性。Wang等人[23]通过简单的常压高温固溶法制备凸多面体状的AgCl、AgBr以及片状的AgI纳米材料。在光催化过程中，Ag+还原为Ag0位于AgX表面，可促进材料对可见光的吸收，提高其光催化效率。结果表明，所制备的样品对RhB、MO等有机染料都具有良好的光催化性能。多数铋系半导体材料的禁带宽度较窄，能对可见光响应，是一种倍受关注的光催化剂。常见铋系光催化剂有：矾酸铋（BiVO4）、磷酸铋（BiPO4）、钨酸铋（Bi2W2O6）、钼酸铋（Bi2MoO6）、氧化铋（Bi2O3）、硫化铋（Bi2S3）及卤氧化铋BiOX（X=Cl、Br、I）等。其中BiOX为新型铋系光催化剂，它是?
7物增加碰撞几率，而缺陷将为吸附反应提供更多的活性位点，从而提升光催化效率。Li等人[26]发现用强碱处理TiO2之后，TiO2中孔的数目增多，平均孔径减小，比表面积增大，对有机污染物的吸附容量增加，进而提升TiO2的光催化效率。Han等人[27]发现引入氧缺陷可显著增强TiO2对氮气（N2）的吸附，提升固氮制取NH3的效率。Wang等人[28]表明将WO3在H2/N2混合气中进行退火处理能得到富含氧空位的WO3，其带隙变窄，对可见光的吸收能力增强，并且抑制电子和空穴的复合，从而提升光催化性能。1.3.2元素掺杂一般情况下，元素掺杂可分为金属元素掺杂与非金属元素掺杂。金属元素掺杂：金属掺杂会影响界面电荷转移过程，图1.3显示金属纳米颗粒掺杂TiO2提升材料界面电荷转移的速率。金属离子捕获电子，抑制光生电子和空穴复合，有助于在降解有机化合物的过程中提高光催化性能。Carraway等人[29]使用铬（Cr）掺杂的多晶TiO2在气固状态下将N2光还原为NH3，以及在液固状态下光催化降解苯酚。结果表明，Cr（III）离子的引入可提高光生电子-空穴对的分离效率，Cr/TiO2降解苯酚的效率提高。Choi等人[30]通过溶胶-凝胶法研究掺杂金属离子的TiO2纳米材料，发现金属离子掺杂能减少载流子的复合速率，加快界面电子的转移速率，从而提升TiO2的光反应性能。图1.3金属-半导体纳米材料界面电荷转移过程[31]Fig.1.3Interfacialchargetransferprocessofmetal-semiconductornanomaterials非金属掺杂：非金属离子掺杂可以将TiO2的光响应扩展到可见光区域。各种非金属元素，如C、N、S、F、Cl和Br已成功地掺杂到TiO2纳米团簇中[32]。研究人员通过加热碳化钛、将TiO2在一氧化碳（CO）气体中进行高温退火处理
【参考文献】：
期刊论文
[1]好氧颗粒污泥处理印染废水的效能及其微生物特征[J]. 李黔花,李志华,岳秀,于广平,王慧娟. 工业水处理. 2020(03)
[2]锌基纳米光催化剂在污水处理中的研究进展[J]. 吴限,孙永臻,王严,邓雪莹,马诚,李丽华. 化工新型材料. 2019(09)
[3]利用Ni（OH）x助催化剂修饰提高g-C3N4纳米片/WO3纳米棒Z型纳米体系的可见光产氢活性的研究（英文）[J]. 何科林,谢君,罗杏宜,温九青,马松,李鑫,方岳平,张向超. 催化学报. 2017(02)
[4]Synthesis, Surface Characterization and Photocatalytic Activity of TiO2 Supported on Almond Shell Activated Carbon[J]. A.Omri,S.D.Lambert,J.Geens,F.Bennour,M.Benzina. Journal of Materials Science & Technology. 2014(09)
[5]碱处理改性对TiO2光催化及吸附性能的影响[J]. 李征然,莫世清,陈衍夏,肖红艳,施亦东. 皮革科学与工程. 2011(03)
本文编号：3454900
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化反应机理示意图[7]
5能提供的活性位点少，这些缺点降低g-C3N4的光催化性能。Lu等人[21]采用一步热缩合氧化法合成具有层状多孔结构的g-C3N4纳米片，发现这一特殊结构拓宽了g-C3N4的带隙，使其氧化还原能力增强，在9min内对RhB的降解率达到99.4%，而体相g-C3N4对RhB的降解率仅为50.4%。图1.2g-C3N4的（a）三嗪环，（b）七嗪环结构Fig.1.2g-C3N4withthestructuresof(a)s-triazines,(b)tris-triazines卤化物由于其独特的光催化性质而引起人们的关注。其中的典型材料——卤化银是一种见光易分解的光敏材料，在太阳光照射下被激发，产生电子和空穴，光生电子将Ag+还原为Ag0。在光催化反应的初始阶段，Ag原子沉积在AgX材料上。反应进行到中间阶段时，金属Ag能捕获光生电子并促进电荷分离，电子不会将Ag+继续还原为Ag0，因而受到光照的卤化银半导体不会持续分解，显示出较高的光催化效率。Cao等人[22]采用简单的溶剂热法合成纯的AgX（X=Cl、Br、I）纳米材料，在可见光照射下降解RhB有机染料和无色抗生素OTC，并对其稳定性进行研究。实验结果表明，AgX具有良好的光催化性能和稳定性。Wang等人[23]通过简单的常压高温固溶法制备凸多面体状的AgCl、AgBr以及片状的AgI纳米材料。在光催化过程中，Ag+还原为Ag0位于AgX表面，可促进材料对可见光的吸收，提高其光催化效率。结果表明，所制备的样品对RhB、MO等有机染料都具有良好的光催化性能。多数铋系半导体材料的禁带宽度较窄，能对可见光响应，是一种倍受关注的光催化剂。常见铋系光催化剂有：矾酸铋（BiVO4）、磷酸铋（BiPO4）、钨酸铋（Bi2W2O6）、钼酸铋（Bi2MoO6）、氧化铋（Bi2O3）、硫化铋（Bi2S3）及卤氧化铋BiOX（X=Cl、Br、I）等。其中BiOX为新型铋系光催化剂，它是?
7物增加碰撞几率，而缺陷将为吸附反应提供更多的活性位点，从而提升光催化效率。Li等人[26]发现用强碱处理TiO2之后，TiO2中孔的数目增多，平均孔径减小，比表面积增大，对有机污染物的吸附容量增加，进而提升TiO2的光催化效率。Han等人[27]发现引入氧缺陷可显著增强TiO2对氮气（N2）的吸附，提升固氮制取NH3的效率。Wang等人[28]表明将WO3在H2/N2混合气中进行退火处理能得到富含氧空位的WO3，其带隙变窄，对可见光的吸收能力增强，并且抑制电子和空穴的复合，从而提升光催化性能。1.3.2元素掺杂一般情况下，元素掺杂可分为金属元素掺杂与非金属元素掺杂。金属元素掺杂：金属掺杂会影响界面电荷转移过程，图1.3显示金属纳米颗粒掺杂TiO2提升材料界面电荷转移的速率。金属离子捕获电子，抑制光生电子和空穴复合，有助于在降解有机化合物的过程中提高光催化性能。Carraway等人[29]使用铬（Cr）掺杂的多晶TiO2在气固状态下将N2光还原为NH3，以及在液固状态下光催化降解苯酚。结果表明，Cr（III）离子的引入可提高光生电子-空穴对的分离效率，Cr/TiO2降解苯酚的效率提高。Choi等人[30]通过溶胶-凝胶法研究掺杂金属离子的TiO2纳米材料，发现金属离子掺杂能减少载流子的复合速率，加快界面电子的转移速率，从而提升TiO2的光反应性能。图1.3金属-半导体纳米材料界面电荷转移过程[31]Fig.1.3Interfacialchargetransferprocessofmetal-semiconductornanomaterials非金属掺杂：非金属离子掺杂可以将TiO2的光响应扩展到可见光区域。各种非金属元素，如C、N、S、F、Cl和Br已成功地掺杂到TiO2纳米团簇中[32]。研究人员通过加热碳化钛、将TiO2在一氧化碳（CO）气体中进行高温退火处理
【参考文献】：
期刊论文
[1]好氧颗粒污泥处理印染废水的效能及其微生物特征[J]. 李黔花,李志华,岳秀,于广平,王慧娟. 工业水处理. 2020(03)
[2]锌基纳米光催化剂在污水处理中的研究进展[J]. 吴限,孙永臻,王严,邓雪莹,马诚,李丽华. 化工新型材料. 2019(09)
[3]利用Ni（OH）x助催化剂修饰提高g-C3N4纳米片/WO3纳米棒Z型纳米体系的可见光产氢活性的研究（英文）[J]. 何科林,谢君,罗杏宜,温九青,马松,李鑫,方岳平,张向超. 催化学报. 2017(02)
[4]Synthesis, Surface Characterization and Photocatalytic Activity of TiO2 Supported on Almond Shell Activated Carbon[J]. A.Omri,S.D.Lambert,J.Geens,F.Bennour,M.Benzina. Journal of Materials Science & Technology. 2014(09)
[5]碱处理改性对TiO2光催化及吸附性能的影响[J]. 李征然,莫世清,陈衍夏,肖红艳,施亦东. 皮革科学与工程. 2011(03)
本文编号：3454900
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