Bi基MOF衍生双金属氧化物的合成及其光催化性能研究

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光催化技术具有可利用丰富的太阳能、可循环利用、可将污染物完全矿化、没有二次污染等优点,被认为是一种极具应用潜力的绿色环保的水污染处理技术。MOFs材料与半导体光催化剂相比,由于具有结构多样性、高比表面积、高孔隙率和类半导体等性质,能够弥补普通半导体催化剂的不足,因此将MOFs材料作为光催化剂引起了越来越多研究者们的关注。然而纯MOFs材料在光催化过程中结构易坍塌,金属离子易浸出,光生电子空穴对的复合率较高,使光催化活性降低,这些问题极大地限制了MOFs作为光催化剂的实际应用。针对MOFs光催化剂结构的新颖性设计及电子空穴对复合率高等的瓶颈问题,本论文分别以CAU-17和Ce-BTC为研究前驱体,利用溶液后修饰掺杂和晶体工程学方法对MOFs建构,最后通过化学气相沉积法得到复合材料异质结,提升体系光催化效率。深入系统的研究了MOF的构建思路对电子空穴分离效率、协同光催化的作用机制,旨在找到有效、稳定、可控的MOF基光催化剂的构建方法,以期为后续提升去除水中微污染物的光催化效率研究提供理论依据和指导思路。本文主要研究内容与结果如下:(1)通过简单的水热法合成CAU-17,然后采用溶液掺杂和高温热解制备得到Bi OCl/Zn O复合材料。实验结果表明,Bi OCl和Zn O形成了异质结结构,拓宽了对光的吸收范围,有效地提高了电子和空穴的分离效率,从而使光催化性能得到提升。光照120min,BOZC3对10 mg/L的MB的降解效率为97%,在p H=3条件下经过60 min光照几乎完全降解10 mg/L的Rh B,测试分析结果表明,h+、·O2-和·OH是BOZC3光催化反应过程中的主要活性物种。说明适当的后修饰离子掺杂能够有效提高太阳光利用率,抑制电子空穴复合过程,从而有效增强光催化效果。(2)巧妙利用晶体工程学方法实现Ce-BTC的原子级别取代,将Bi离子穿插进Ce-BTC中,利用化学气相沉积制备得到双金属氧化物Bi2O3/Ce O2异质结材料。当Bi:Ce=1:5(即样品BC-3)时,异质结材料具有最优的光催化效果,在经过30 min可见光照射后,对10 mg/L的TC几乎完全降解。实验结果表明,Bi2O3和Ce O2形成了异质结结构,提高了比表面积,增加了吸附性能,提高了光生载流子的迁移效率,提高了复合材料的光催化性能。测试分析结果表明,h+是光催化反应过程中的主要活性物种。晶体工程学方法充分体现了光催化材料结构和性质的有效构建关系,形成吸附/催化协同作用,从而显著增强光催化效果。
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