磷酸银基Z型光催化剂的制备及其催化性能和机理研究

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自从2010年n型半导体磷酸银(Ag3PO4)作为一种间接禁带宽度约为2.4 eV的光催化剂被首次报道后,便受到了科研工作者们的广泛关注。其在420 nm处高达90%的量子效率,更是令之前报道的其他金属氧化物半导体望尘莫及。然而,严重的光腐蚀现象和不佳的光生载流子分离效率,使其仍不能在实际中得到广泛应用。基于上述问题,本文设计并制备了两种Ag3PO4基Z型光催化剂,显著提高了 Ag3P04在染料降解过程中的光催化活性和稳定性。具体研究内容如下:(1)采用温和的一锅原位沉淀法制备得到了 GO/Ag3PO4/SnS2,并研究了SnS2和GO的加量对其性能的影响。利用XRD、Raman、SEM、TEM、EDS、ICP-OES和XPS等表征手段对样品的晶体结构、物相组成、微观形貌、化学组成和元素价态等进行了分析。在可见光下降解罗丹明B(RhB)时,三元材料较其他样品具有更高的光催化活性,其中,GO5.5/AP/S3表现出最佳的效果。并且在重复使用三次后,其催化活性仅出现了小幅度下降,反应速率仍分别为纯Ag3PO4、Ag3PO4/SnS2和GO/Ag3PO4的12.70,4.08和2.36倍。通过PL光谱等手段证实了高效的载流子分离效率是复合材料催化性能提高的主要原因。通过自由基捕获实验得知体系中的主要活性物种为h+和·O2-,并结合通过DRS光谱和M-S曲线计算出的Ag3PO4、SnS2、GO的导带和价带位置,推导出了一种适用于该体系的双Z型电子转移机制及染料降解机理。(2)同样通过原位沉淀法制备得到了 PANI/Ag3PO4/CNO,并研究了 CNO和PANI的含量对其性能的影响。采用多种表征手段分析了样品的晶体结构、物相组成、微观形貌、化学组成和元素价态。在可见光照射下,与其他样品相比,三元材料展现出更高的光催化活性,其中,PANI5/AP/CNO30具有最佳的性能。为了进一步研究三元材料的光催化活性,本章分别对亚甲基蓝(MB)、甲基橙(MO)、RhB及其它们的混合染料进行了降解实验,发现三元材料对它们同样具有优异的催化性能。虽然在三次连续使用后,三元材料的催化活性出现了小幅度的下降,但与其他样品相比仍保持着更高的光催化水平。根据PL光谱等手段得知,提高复合材料光催化性能的主要原因是电子-空穴对的快速分离和转移。利用DRS光谱等手段计算出了 Ag3PO4、CNO以及PANI的导带和价带位置,并结合自由基捕获实验结果发现,第2章推导出的双Z型电子转移机制及染料降解机理同样适用于该体系。
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