新型铋基光催化剂的制备及其降解水环境中有机污染物的性能研究

发布时间：2020-08-13 14:13

【摘要】：光催化技术作为一种新型污染物治理技术,具有高效、节能,无二次污染等优点,在水污染治理方面得到了广泛研究和应用。开发高效率稳定的可见光催化剂,是近些年来光催化领域的研究热点。含铋类化合物因其独特的电子结构和优良的可见光吸收性能,受到广大研究者的关注。本文以BiOBr,BiOCl,Bi(OH)_3为基础,构建了BiOBr基复合物,带有氧空位暴露晶面的BiOCl以及掺杂的Bi(OH)_3等新型铋基复合光催化剂。采用各种现代表征技术对所制备的催化剂进行了表征,通过优化实验参数,得到最佳的光催化剂,并应用于水中抗生素和染料的降解,同时探讨了相关的降解机制。本文主要研究工作如下:(1)Bi_(24)O_(31)Br_(10)/BiOBr复合物光催化剂的控制合成及其光催化性能研究以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和Bi(NO_3)_3·5H_2O为原料,三乙醇胺(TEOA)为pH调节剂,通过溶剂热法合成了Bi_(24)O_(31)Br_(10)/BiOBr复合物光催化剂。运用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),比表面积测定仪(BET),紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等手段对其进行了表征,结果表明:改变TEOA的体积,调节Br和Bi物质的量比可调控所得复合物的组成、微结构和形貌。在可见光(λ≥420nm)下以降解环丙沙星(CIP)来评价所制备催化剂的光催化性能,当TEOA的体积为8mL、Br和Bi物质的量比为1.0时,所得催化剂Bi_(24)O_(31)Br_(10)/BiOBr(S-1.0-8)具有最佳的光催化性能,对CIP的降解率为97.00%,反应速率常数为不加TEOA所得纯BiOBr的3.93倍。S-1.0-8最佳的光催化性能除了由于光生电子和空穴的有效迁移外,还归因于高的比表面积和表面丰富的氧空穴。(2)添加剂控制合成溴氧化铋类复合物光催化剂降解环丙沙星抗菌剂及其机理探讨采用三乙醇胺(TEOA),氢氧化钠(NaOH)和氨水(NH_3?H_2O)为添加剂,以溶剂热法合成了系列溴氧化铋类复合物光催化剂,分别表示为S-TEOA,S-NaOH和S-NH_3。所制备的催化剂通过X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电镜(TEM),X射线光电子能谱(XPS),电子自旋共振光谱(ESR),表面积测定仪(BET)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等进行了表征。结果表明:所得复合物都包含相同的相BiOBr和Bi_(24)O_(31)Br_(10),但拥有不同的结构、形貌和光吸收性能,这些都取决添加剂的种类。所制备催化剂的光催化活性通过在可见光下(λ≥420nm)降解环丙沙星抗菌剂(CIP)来评价。S-TEOA的降解速率常数分别为S-NaOH和S-NH_3的2.62和4.17倍。在实验的基础上对催化剂S-TEOA的形成机理和所制备催化剂对CIP成分的吸附模式进行了系统地探讨。(3)具有高活性的BiOCl纳米片微结构调控及可见光催化降解环丙沙星研究以三乙醇胺(TEOA)为辅助剂,水热法合成了在暴露的{010}面具有氧空位的BiOCl纳米片,通过表征技术研究了所制备催化剂的表面性能、晶体结构、形貌和光学性质等性能。结果表明:所得催化剂的结构和形貌由TEOA的量决定,此外,TEOA的加入导致了催化剂表明氧空位的形成。因此,TEOA辅助合成所得催化剂在可见光下(λ≥420nm)具有更高的降解环丙沙星的光催化性能。加20mL TEOA所得催化剂具有最佳的光催化性能,其光催化速率常数为不加TEOA所得催化剂的14倍,是用NaOH和NH_3·H_2O分别代替TEOA所得催化剂的4倍。同时,对催化剂降解水体中环丙沙星的机理进行了探讨。(4)Zn掺杂Bi(OH)_3新型光催化剂的制备及其降解污染物研究采用溶剂热法成功地制备了不同Zn含量掺杂的Bi(OH)_3光催化剂,并用多种表征技术对所得催化剂进行了表征。通过在可见光照射(λ≥420nm)下降解罗丹明B(RhB)来评价催化剂的光催化性能。结果表明,Zn掺杂能改变催化剂的能带结构,引起能带向上弯曲,提高了光生载流子的转移速率,并抑制了光生载流子的复合,相应的提高了催化剂的光催化效率。当Zn和Bi的最佳物质的量比为0.02时,其速率常数为不掺杂Bi(OH)_3的5倍。活性成分实验表明,空穴在降解RhB过程中起关键作用。根据相关实验,讨论了载流子可能的转移路线。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O643.36;X703
【图文】：

原理图,体内复合,光催化机理,表面复合

体光催化技术导体光催化的基本原理体是指在导电性能介于金属电导率(~104-106 /cm)和电介/cm)之间的催化剂。半导体光催化剂的原理基于能带理论，半充满电子的低能量价带(Valence Band，VB)和空的高能导带(B)组成，在价带和导带之间存在一个区域，这个区域称之为大小称为禁带宽度( )，禁带宽带 = ，其中 (带底对应的能量， (Valence Band) 为价带顶对应的能量催化剂时，光子的能量大于禁带宽带时(hv> )，价带上的量向导带迁移，这时价带上留下一个空穴( )，激发的电子)，又称为光生载流子，具有纳秒级寿命[25]。光生载流子在电散的方式向催化剂内部或表面迁移，激发后的广生空穴和电反应，半导体光催化原理图[26-27]如图 1.1。

制氢机,半导体光催化剂,水分解

半导体光催化催化剂在光致激发过程中产生还原能力，在 H2O 存在下，将吸附在催化剂表面的 COCOOH，CH3OH 和 CH4等碳氢化合物。光生空穴具有很 H2O 中夺取电子，并放出 O2。1979 年日本学者 Inoue 等[2 CO2，于是 TiO2作为光催化剂在光催化还原 CO2领域获究成果也层出不穷。一种具有高燃烧值、高效率和清洁的能源。太阳能水解制想途径之一。1972 年，Honda 和 Fujishima[29]首次报道了利照射下分解水制备氢气和氧气后，引起了广大研究者的被光致激发后产生的光生电子和空穴分别被吸附在半导实现水的裂解，生成氢气和氧气。图 1.2 为半导体光催化。要想实现水解产生氢气和氧气，就需要价带和导带的电匹配，它的导带位置应该比氢电势更负，而价带位置应前光催化水解制氢的产率还比较低，未达到实用化的阶氢技术仍具有极其重要的学术及社会价值。

导带,价带,氧化还原电位,相对位置

导体光催化剂本身性质的影响体光催化剂对光的吸收性能由催化剂的带隙宽度决定。不同催化剂具有不同的带隙能，因而呈现不同的光响应范围。TiO广泛的光催化剂，禁带宽度为 3.2 eV，为宽带隙半导体催化剂总能量的 5%不到的紫外光所激发，因此拓宽催化剂对光的响的热点。此外，寻找禁带宽度较窄且能够直接被可见光激发大研究者努力的方向。，半导体的光催化的反应能力主要取决于半导体的能带位置还原电位。半导体导带底带边电位要高于物质的还原电位，带边电位要低于物质的氧化电位，这样光生电子空穴对才能。一般导带底越负，电子的还原能力越强，价带顶越正，空。价带和导带之间的离域性越好，光生电子-空穴的迁移能力催化氧化还原反应。给出了几种常见半导体的禁带宽度和能准氢电极电位的相对位置）图 1.3。

【参考文献】