铋基可见光光催化材料的改性及其光催化性能的研究

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光催化技术在环境污染治理方面有着广阔的应用前景,发展高效可见光光催化剂是光催化材料研究的重要方向之一。卤氧化铋光催化剂由于合适的禁带宽度和特殊的层状结构成为可见光光催化材料研究的热点。特别是BiOI由于能吸收可见光,因此开展BiOI的改性研究有重要意义。本文对BiOI光催化剂改性,主要开展了四方面的研究工作:一是通过形成固溶体BiOCl0.2Br0.1I0.7调节能带、增大比表面积来提高光催化性能;二是合成低结晶的复合光催化材料Bi2O3/BiOI,提高光生载流子分离效率;三是用热浸渍法合成了BiOCl/BiOI复合光催化材料;四是用热浸渍法制备了不同Pd含量修饰的Pd/BiOI光催化剂。(1)通过湿化学方法合成了BiOX(X=Cl、Br、I)和三元固溶体BiOCl0.2Br0.1I0.7。合成的所有催化剂为纳米片层结构,BiOCl0.2Br0.1I0.7固溶体的颗粒尺寸远小于BiOX(X=Cl,Br,I)的颗粒尺寸,其比表面积达到13.34m2/g;BiOCl0.2Br0.1I0.7的禁带宽度为1.82eV;能带计算求得了各催化剂的能带结构,BiOCl0.2Br0.1I0.7的价带电位为2.50eV,比纯的BiOI的价带电位更深,氧化能力更强。通过形成固溶体能够有效调节催化剂的能带结构。BiOCl0.2Br0.1I0.7在可见光条件下降解甲基橙的实验中表现出比单相催化剂更强的光催化能力,光催化反应进行2小时,对甲基橙的降解率达到98%。BiOCl0.2Br0.1I0.7对可见光的强吸收、大的BET比表面积和强的氧化能力是其获得高效可见光催化能力的主要原因。(2)通过湿化学方法合成了BiOI、低结晶的Bi2O3和Bi2O3/BiOI复合光催化剂。在可见光条件下降解甲基橙的实验结果表明,低结晶的Bi2O3/BiOI催化剂有着远高于单相BiOI和Bi2O3的光催化性能,在光催化反应仅1h,Bi2O3/BiOI对甲基橙的降解效率达到了97%。Bi2O3/BiOI的禁带宽度为2.16eV;其比表面积达到29m2/g。提出了复合光催化剂的光生电子空穴对分离模型。小的颗粒尺寸、大的比表面积和更低的光生电子空穴复合率是复合催化剂获得高可见光催化性能的主要原因。光催化循环实验表明低结晶的复合材料有较好的稳定性能。(3)通过热浸渍法制备了质量分数为4%、15%、26%、42%BiOCl/BiOI复合光催化材料。随着BiOCl含量的增加,复合材料对400500nm光谱段的可见光的吸收显著增强,复合材料的比表面积也增大。在可见光条件下降解甲基橙的实验中,由于强的可见光吸收和大的比表面积使4%BiOCl/BiOI表现出最佳的光催化性能。但随着BiOCl含量的增加,复合材料的催化效率逐渐降低。由于是浸渍法制备,在BiOI表面生成的BiOCl以粗糙的腐蚀点存在成为光生载流子的复合中心增加了光生载流子的复合率,而且随着BiOCl含量的增加,复合中心点增多,并成为影响催化性能的主要因素,导致了复合催化材料催化性能逐渐降低。(4)用热浸渍法制备了质量含量为0.005%、0.01%、0.05%、0.1%Pd修饰的催化剂Pd/BiOI,Pd的修饰没有对催化剂的形貌有明显的影响;随着Pd的加入量的增大,催化剂对可见光的吸收边红移,并且吸收逐步增强。在可见光条件下对甲基橙的降解数据表明,Pd的加入降低了BiOI的催化性能,经过2h的光催化降解后,BiOI、0.005%Pd/BiOI、0.01%Pd/BiOI、0.05%Pd/BiOI对甲基橙的降解率分别为74%、55%、41%和16%,0.1%Pd/BiOI催化剂几乎对甲基橙没有降解效果。由PL光谱可知,低浓度的Pd修饰,能降低光生载流子复合率,高浓度的Pd促进了光生载流子的复合。而且Pd的修饰在BiOI的表面可能形成了异于未修饰BiOI的表面,影响了表面反应,降低了光催化效率。
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