磷酸银及其异质结光催化剂的制备、表征和性能研究

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光催化技术作为解决能源和环境问题的有效途径之一,其核心是开发高效稳定的光催化材料。新型可见光催化材料Ag3PO4因量子产率高和催化活性好,是当前光催化领域的研究焦点。但Ag3PO4容易被光腐蚀和水中溶解度大导致其稳定性差,限制了其实际应用能力。本文针对这一瓶颈问题,采用形貌控制和构建异质结等方法来提高Ag3PO4的稳定性和光催化活性,并将其应用在去除环境污染物亚甲基蓝(MB)和氮氧化物(NOx)上,同时借助各种表征手段和光催化实验揭示材料的组成、结构与光催化性能问的关系,并提出相应的光催化增强机理。主要研究内容如下:1、不同形貌Ag3PO4光催化剂的制备:①利用水相沉淀法比较了不同沉淀剂(Na3PO4、Na2HPO4、NaH2PO4)对Ag3PO4产物的晶相组成、形貌、光吸收性能和催化活性的影响,其中无规则状Ag3PO4 (Na2HPO4)的光催化活性最高。②在氨水、过量Na2HPO4和PEG辅助下以水相沉淀法制备出{111}晶面暴露的三棱四足状Ag3PO4。③以H3P04为沉淀剂在醇相中制备出{111}晶面高度暴露的四面体状Ag3PO4。但纯Ag3PO4的光催化稳定性均较差。2、首次采用浸渍-煅烧法在三棱四足状Ag3PO4表面负载C0304纳米颗粒制备得到p-Co304/n-Ag3P04异质结光催化剂。二者之间形成的p-n结可加速光生电子-空穴对的分离,表面不溶性C0304和单质Ag0的包裹提高了Ag3PO4的稳定性,以及C0304增强了可见光的吸收利用,使Co3O4/Ag3PO4异质结光催化剂的活性和稳定性均得到很大提升。可见光下2.0wt%Co3O4/Ag3PO4 (673K)降解MB和去除NOx的光催化活性是纯Ag3PO4的2.78和2.53倍;经过五次循环实验后样品仍保持良好的催化活性。3、分别采用溶剂挥发诱导自组装法(Ⅰ)和原位沉淀法(Ⅱ)将稳定柔软的g-C3N4纳米片包覆在Ag3PO4四面体表面或周围,制备出g-C3N4/Ag3PO4{111}Z型异质结催化剂。该结构既可抑制Ag3PO4的光腐蚀又可促进光生载流子的分离,并同时保留Ag3PO4的高氧化性和g-C3N4的高还原性,以上因素协同提高了g-C3N4/Ag3PO4材料的光催化活性和稳定性。可见光下10%g-C3N4/Ag3PO4 (Ⅱ)光催化降解MB和去除NOx的活性是纯Ag3PO4的2.01和2.28倍。4、通过浸渍-沉积法制备出Ag3PO4/TiO2纳米片薄膜异质结光催化剂。随后再利用微波辅助化学还原法和浸渍-沉积法制备出性能稳定的Ag3PO4/Ag/TiO2 NSF/Ag三元复合Z型薄膜光催化剂。由Ag3PO4、Ag和Ti02组成的“Z-机制”亦可抑制Ag3PO4的光腐蚀、促进光生载流子分离,同时Ag纳米颗粒的局域表面等离子体效应可以增强材料的可见光利用率、促进电子转移。在模拟太阳光下Ag3PO4/Ag/TiO2 NSF/Ag-1.0催化降解MB的活性是纯TiO2 NSF的15.50倍,Ag/TiO2NSF的3.62倍,Ag3PO4/TiO2 NSF的1.68倍;NOx去除率大小为:Ag3PO4/Ag/TiO2 NSF/Ag-1.0 (29.9%)>Ag3PO4/TiO2 NSF (16.2%)>Ag/TiO2NSF (14.0%)>TiO2NSF (7.7%)。
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