碳酸银基复合材料的制备及其光催化降解性能研究

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近几年来,半导体材料因利用太阳光催化降解环境污染物高效、环保而成为研究热点之一。纳米二氧化钛(TiO2)具有催化性能高、化学稳定性强、成本低等优势,在环境污染物的光催化降解中被广泛的研究和应用。然而,以二氧化钛为代表的传统光催化剂只能利用紫外光,这使光催化剂应用在能源生产、环境净化等方面受到极大限制,因此,发展可见光响应型、窄禁带半导体光催化剂是光催化研究的核心问题。最近研究表明,碳酸银是一种具有高效光催化活性的可见光响应型光催化材料,但其在光照条件下极易发生腐蚀,以致其稳定性很差。因此,为实现碳酸银半导体材料光催化活性和稳定性的提高,本文利用氧化石墨烯(GO)、石墨型氮化碳(g-C3N4)、类石墨烯型二硫化钼(MoS2)与碳酸银复合形成新型异质结结构可见光响应光催化材料。  本文从催化剂的制备和合成入手,通过改进制备方法和条件合成了GO/Ag2CO3、 g-C3N4/Ag2CO3、 MoS2/Ag2CO3三种光催化剂,通过红外光谱、扫描电子显微镜、透射电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱等表征手段来研究复合材料的结构、形貌、光催化性能,探索催化剂的微观构造、异质结结构和光催化活性之间的关系。通过光电流和阻抗实验探讨了掺杂光催化剂的光电性能及可能的光催化机理。主要内容如下:  (1)通过沉积-水热法制备不同GO含量的GO/Ag2CO3系列光催化材料。探究GO/Ag2CO3复合材料在可见光照射下降解亚甲基蓝和甲基橙染料的活性。实验结果表明,GO/Ag2CO3光催化剂具有良好的光催化活性,1h内在GO/Ag2CO3(1wt%)作用下亚甲基蓝的降解率为93%,在GO/Ag2CO3(0.25 wt%)作用下甲基橙的降解率为87%。探讨GO/Ag2CO3异质结结构对光催化活性的影响及光催化降解机理,并研究GO在GO/Ag2CO3中充当电子接收器和转移器来促进光生电子-空穴的有效分离,从而抑制它们的再次结合,实现光催化性能的提高。  (2)采用离子交换-水热法合成了g-C3N4/Ag2CO3(1wt%、3wt%、7wt%)光催化剂。研究了不同量的g-C3N4对g-C3N4/Ag2CO3复合光催化剂降解甲基橙效果的影响。实验表明,3 wt%g-C3N4/Ag2CO3在可见光照射下对甲基橙的降解效果最好,2h内甲基橙降解率为92%,其光催化性能的提高主要归结于g-C3N4与Ag2CO3形成的异质结的作用。在可见光照射下,g-C3N4/Ag2CO3降解甲基橙的过程符合一级动力学模型。循环实验研究结果表明催化剂的稳定性不理想,可能是由于复合材料在可见光照射下因碳酸银发生光腐蚀而造成的;研究了复合材料对甲基橙的降解机理,结果表明在复合材料中g-C3N4充当电子传输器,有效分离了光生电子与空穴并抑制了它们的复合,进而提高了复合材料的光催化性能。  (3)以MoS2、 AgNO3、 Na2CO3为原料,采用离子交换-水热法合成了MoS2/Ag2CO3系列光催化剂。光催化实验表明0.5 wt% MoS2/Ag2CO3对甲基橙的降解效果最佳,达到80%,其动力学研究表明在低浓度下降解过程符合一级动力学。同时也发现,过量的MoS2掺杂会降低Ag2CO3的活性,可能是由于其量过多抑制了光生电子与空穴的分离。运用红外光谱、紫外-可见光漫反射,扫描电子显微镜、透射电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱等表征手段,探讨了MoS2/Ag2CO3对甲基橙的降解机理,结果表明MoS2的有效负载促进了复合材料中光生电子-空穴有效分离并抑制了其复合,进而提高了复合材料的光催化性能。
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