磷酸铋基光催化剂的制备及其光催化性能研究

发布时间：2020-03-27 03:29

【摘要】：光催化技术具有高效、环境友好等特点,为解决环境污染和能源短缺提供了有效途径。BiPO_4是一种新型的非金属含氧酸盐光催化剂,由于光催化活性高和制备成本低已成为研究者的新关注点。但其量子效率偏低,可见光谱响应范围较窄,限制实际应用。本文通过掺杂稀土元素、构建异质结构等改性策略对BiPO_4进行能带调控和表面修饰,提高光生载流子的分离效率,扩展光谱吸收范围,设计合成出一系列高活性和高能效的磷酸铋基光催化剂。以模拟染料废水为降解对象,探讨了新型光催化体系的影响因素,揭示光催化作用机理。这对于光催化氧化技术的发展和太阳能有效利用具有重要的理论意义和应用价值。主要成果如下:1 La~(3+)-BiPO_4光催化剂的制备及光催化性能选用硝酸铋、硝酸镧和磷酸三丁酯为前驱体,采用一步水热合成法制备镧掺杂磷酸铋光催化剂,对掺杂La前后BiPO_4的物相结构、组成、形貌、光吸收性能和价健结构进行了表征分析,并对制备条件的影响机理进行了合理的解释。在本实验研究的范围内,La掺杂量为2%,以水为溶剂,水热温度为200℃、水热时间为3h的条件下制备的La~(3+)-BiPO_4球形颗粒具有最高光催化活性且稳定性良好,其光催化反应速率是BiPO_4的3.24倍。以亚甲基蓝(MB)为目标污染物,考察了La~(3+)-BiPO_4的光催化性能及其影响因素。在强酸性或中性条件下,光催化剂用量为0.5~2.0 g/L时,亚甲基蓝的降解效果较好。在亚甲基蓝初始浓度为4~30mg/L时,以La~(3+)-BiPO_4为催化剂的光催化降解过程服从准一级反应动力学规律。通过捕获实验推测空穴是优势活性物种。在紫外光照射下,La~(3+)-BiPO_4具有高活性的主要原因是其具有较大的比表面积,较低的价带位置使空穴具有更强的氧化能力,促进羟基自由基的生成,同时更高的导带位置有助于电子-空穴对的分离。2 H_3PW_(12)O_(40)/BiPO_4光催化剂的制备及其可见光催化活性采用浸渍法制备了HPW/BiPO_4复合型光催化剂。磷源、合成方法、焙烧温度、时间以及磷钨酸浸渍量等制备条件对其光催化活性有较大的影响。在本实验研究的范围内,以磷酸二氢铵为磷源,采用室温合成-浸渍法,HPW浸渍量为30%、焙烧温度为500℃、焙烧时间为3h的条件下制备的HPW/BiPO_4对罗丹明B(Rh B)的降解效果最佳,氙灯光照180min后,降解率达到90.8%,其光催化反应速率是BiPO_4的14.75倍。以罗丹明B为探针,考察了HPW/BiPO_4的可见光催化性能及其影响因素。研究表明:在偏中性条件下,光催化剂用量为0.5~0.8 g/L时,罗丹明B的降解率较高。无机阴离子对吸附和光反应的抑制次序为PO43-SO42-Cl-≈NO3-。从循环使用情况来看,HPW/BiPO_4的稳定性有待于进一步加强。在罗丹明B初始浓度为0.35~2.20×10-5mol/L时,光催化降解过程服从准一级反应动力学规律。通过自由基捕获实验推测空穴是主要活性物种。BiPO_4与HPW复合后,吸收带边红移至415nm,更易受到可见光的激发。HPW是良好的电子捕获剂,能够有效抑制光生电子和空穴复合,使HPW/BiPO_4复合光催化剂具有较高的可见光催化活性。3 PANI/BiPO_4光催化剂的制备及其可见光催化活性通过化学吸附作用将聚苯胺包覆在磷酸铋表面上,制备出PANI/BiPO_4复合型光催化剂。随着PANI复合量增加,复合型光催化剂的活性先增强后减弱。10%PANI/BiPO_4对Rh B的降解效果最佳,氙灯(λ400nm)光照4h后,降解率达到90.9%,总有机碳的去除率为56%,而在同等条件下BiPO_4对Rh B无光降解作用。以罗丹明B为目标污染物,考察了PANI/BiPO_4的可见光催化性能及其影响因素。研究表明:在1.0~10.0 g/L的范围内,罗丹明B的降解率随光催化剂用量增加而增强。随着溶液p H值的增加,光催化剂对罗丹明B的降解率先增大后减小,在弱酸条件时降解效果较好。无机阴离子Cl-、NO3-和SO42-对罗丹明B的光降解影响较小,PO43-对吸附作用和光反应有较强的抑制。在罗丹明B初始浓度为3.23~11.39×10-5mol/L时,光催降解反应符合一阶动力学模型。通过自由基捕获实验推测在PANI/BiPO_4光催化降解罗丹明B的反应中HO2·/O2-·是优势活性物种。BiPO_4经PANI修饰后,吸收带边红移至474nm,更易吸收可见光。同时,在两者的界面形成一个异质结构,PANI和BiPO_4间载流子的有效迁移产生了内建电场,从而促进了光生电子与空穴的分离,提高了BiPO_4的可见光催化活性。
【图文】：

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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;O643.3

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