WO3复合材料的合成与光催化性能的研究

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近年来,人口增长速度过快,社会发展突飞猛进,能源需求越来越大,同时社会生产也对环境产生了一定的影响。工业上氨的合成是在高温高压的条件下进行的,需要大量的能量消耗,从长远角度看会导致能源短缺;环境污染问题中,废水污染问题最为严重,对人类及动植物的生存产生了一定的影响。因此,要把能源短缺、污水处理作为发展过程中首要解决的问题。近年来,因光催化材料具有成本较低、毒性小、绿色环保等优点,而被广泛应用于工业上氨的合成、污水治理等方面。纳米材料具有独特的光学特性、制备方法简单、化学性质稳定以及光催化活性高等优点,在光催化方面起着重要的作用。但是,纯的WO3半导体由于电子空穴的复合率较高,因而光催化活性较低。异质结的构建,有助于降低电子空穴的复合率,提高光催化活性。因此,越来越多的研究者致力于复合材料的合成。本文分别合成了WO3/Bi2WO6、WO3/ZIF-8、WO3/Bi OCl三种复合材料,研究了不同组成的催化剂对降解盐酸四环素以及合成氨的性能的影响,并用XRD、FESEM、TEM、HRTEM、UV-Vis、BET、XPS、ESR、光电流及电化学阻抗等测试对光催化性能进行评估。具体研究内容如下:(1)本章是在WO3纳米片上原位生长钨酸铋,通过不同质量的硝酸铋与WO3纳米片水热反应,得到了一系列不同组成的WO3/Bi2WO6复合材料。以四环素为降解目标,研究了不同组成的复合材料与光催化活性的关系。用XRD、FESEM、TEM、HRTEM对样品的晶体结构和形貌进行表征。通过性能实验,可以得知硝酸铋质量为200 mg的样品BWO-3降解率最高。此外,进行了UV-Vis、BET、XPS、ESR、光电流、阻抗等测试,进一步说明了复合材料的性能。通过自由基捕获实验,说明了活性基团h+和·O2-在降解过程中起着重要的作用。另外也进行了循环稳定性实验,证明了复合材料具有良好的稳定性。(2)通过调节二甲基咪唑和乙酸锌的浓度,采用共沉淀法得到了不同组成的WO3/ZIF-8复合材料。用XRD对样品的晶体结构进行表征,微观结构通过FESEM、TEM、HRTEM进行研究,通过XPS研究了样品的组成。从紫外可见漫反射光谱图中,我们可以看出样品在可见光范围内有光吸收,降低了成本也增强了光催化活性。此外,由N2吸脱附等温线,我们可以得到各个复合材料的比表面积、孔体积等。性能实验是通过固氮产生硝酸根的浓度来评估的,结果表明WO3/ZIF-8-2的光催化活性最高。为了评估样品的稳定性,进行了5个循环的实验,结果表明复合材料具有良好的稳定性。(3)通过改变WO3与硝酸铋的摩尔比,采用水热法,以氯化钠为氯源,水作为溶剂,得到了不同组成的WO3/Bi OCl复合材料。本章实验是在模拟太阳光照射下,以四环素为降解底物,通过降解率对光催化活性进行评价。性能实验表明了样品0.5Cl的光催化活性最高。用XRD表征了WO3和复合样品的晶体结构。扫描电镜图,可以看出复合后的样品表面变得相对粗糙,有利于吸附更多的污染物。通过瞬态荧光光谱图并经过计算寿命后,得知复合样品的寿命要短,是因为复合后的样品导电性有所增加,所以电子传输速度和电荷分离效率提高了,需要的时间减少了。此外,光电流测试、阻抗测试都进一步表明了摩尔比为0.5的样品0.5Cl光催化性能最优。
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