铋基复合光催化材料:制备、性能及机理研究

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经济快速发展的同时伴随着能源需求的不断增长,引发的能源短缺和环境污染问题日益严重,而人类社会的发展离不开能源的使用,所以寻求清洁能源变成一个趋势。这些可替代能源必须是环境友好的、廉价的、而且是可再生的,主要包括太阳能、风能、水能、地热能、氢能等,其中太阳能是自然界中最丰富的一种环保、安全、无污染的新型能源,但是在以往的技术中大多将太阳能进行光电转换形成太阳能电池板,其生产成本和环境代价都较高。近些年来,光催化技术作为一种新兴的技术,在对抗全球环境污染和能源短缺中起着至关重要的作用。光催化的核心技术是制备出具有高效光催化活性的半导体材料。所以如何设计一种能充分利用太阳光的半导体光催化剂是高效利用太阳能的关键。以Bi2MoO6和BiOBr为代表的铋系半导体光催化剂作为一种新型可见光响应的光催化剂,因其拥有开放的层状结构、合适的禁带宽度、良好的可见光催化活性等而备受人们关注,并已取得一系列研究进展。如何进一步提高Bi2MoO6和BiOBr的可见光催化活性,一直是现阶段亟需解决的问题。本文采用简单的水热法通过引入少量的SnS2或SnO2制备出高效的SnS2/Bi2MoO6、SnO2/BiOBr和SnO2/Bi2MoO6复合光催化剂。并对所制备的一系列光催化剂进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、荧光光谱(PL)、紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)和电子自旋共振(ESR)等现代研究技术表征测试,分析了样品的形貌尺寸、晶体结构、光学性质、活性物种等。以罗丹明B、龙胆紫、环丙沙星、三氯生等作为目标污染物,在5 W的LED灯下模拟光催化降解实验,系统评价了催化剂的光催化活性,进行动力学研究,且提出可能的光催化机理。本文主要研究内容和结论如下:(1)以SnCl4.5H2O、Bi(NO33.5H2O和(NH46Mo7O24·4H2O为原料,采用水热法制备出不同比例的SnS2/Bi2MoO6复合光催化剂。以龙胆紫和环丙沙星为目标污染物,评价所制备催化剂在模拟太阳光下对目标污染物的降解。实验结果表明,所合成的SnS2/Bi2MoO6复合材料对龙胆紫和环丙沙星的降解均有明显的提高,其中5 wt%SnS2/Bi2MoO6拥有最佳的光催化活性,该复合物对龙胆紫的降解率约是纯Bi2MoO6的3.6倍、SnS2的2.4倍。进一步通过捕获实验和ESR测试光催化过程中的活性物种推测SnS2/Bi2MoO6异质结光催化机理可能属于Z-型光催化机理。(2)采用一步水热法首次合成SnO2/BiOBr复合光催化剂,利用XRD、SEM、TEM、XPS等表征手段分析,结果表明SnO2纳米颗粒紧密地负载到BiOBr纳米片上。分别以罗丹明B、龙胆紫和三氯生为污染物模型,评估材料的光催化活性。实验结果显示,合适的SnO2负载量在降解罗丹明B、龙胆紫和三氯生方面均表现出优异的光催化活性,说明复合形成的p-n型异质结可以很好地促使光生电子与空穴的分离,进而提高光催化效率。捕获实验和ESR分析结果显示在该光催化过程中主要活性物种是超氧自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)。并通过循环实验证明SnO2/BiOBr复合材料具有较好的循环利用性。(3)选用简便的一步水热法制备SnO2/Bi2MoO6复合光催化剂,通过降解龙胆紫染液,对不同质量比SnO2/Bi2MoO6复合光催化剂的催化性能进行分析,证明7 wt%SnO2/Bi2MoO6光催化剂具有最好的催化活性,在模拟太阳光照射下,其降解率约是纯的Bi2MoO6的1.6倍、SnO2的3.8倍。降解率的增高可能归因于半导体间的异质界面光生电子空穴对复合率降低的影响。另外,对所制备的光催化剂进行一系列表征,了解材料的形貌和微观结构以及光学性能质等。
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