Ag@AgCl和Ag3PO4基异质结光催化剂的构建及其性能研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wmxlg2008
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光催化技术是解决能源和环境问题的有效方法之一,其核心是开发高效稳定的光催化材料。构建异质结光催化剂能够有效促进光生电子-空穴对的分离,是提升光催化剂光催化性能的一种经典手段。然而,异质结光催化剂的光生电子-空穴传递和分离过程,往往会导致光催化剂氧化还原能力的降低。因此,如何在确保光生电子-空穴高效分离的同时,保持其氧化还原能力是异质结光催化剂技术所面临的最大挑战。本论文以Ag@AgCl与Ag3PO4光催化材料为基础,通过合理设计异质结光催化剂组分间的匹配性和载流子传递路径,增强光生载流子由太阳能捕获单元向表面催化反应活性单元的传递效率,在促进光生电子-空穴对分离的同时,提升异质结光催化剂的氧化还原性能。具体工作如下:(1)以Ag@AgCl光催化剂为基体,以沸石咪唑酯骨架结构材料ZIF-8为光生电子的捕获和利用单元,构建Ag@AgCl/ZIF-8异质结光催化剂。通过在可见光(λ>420 nm)下降解罗丹明B(Rh B)对光催化剂的光催化活性进行测试,结果表明Ag@AgCl/ZIF-8异质结光催化剂比Ag@AgCl和ZIF-8均具有更高的光催化活性。并且在四次循环反应之后,Ag@AgCl/ZIF-8光催化剂仍保持较高的光催化活性和结构稳定性。Ag@AgCl/ZIF-8光催化性能得以提升的主要原因在于:ZIF-8既可以通过其较大比表面积对反应体系当中的有机污染物进行有效吸附,又可以通过其强光还原特性提升催化剂的氧气活化能力,最终实现光催化剂对光生电子的有效传递和利用。(2)在前一工作基础上,采用离子交换-光化学还原两步法合成了Ag@AgCl/Ag nanofilm/ZIF-8异质结光催化剂。以亚甲基蓝(MB)为模拟污染物,对所制备的光催化剂的光催化活性进行了测试。Ag@AgCl/Ag nanofilm/ZIF-8光催化剂的拟一级反应速率常数(0.2460 min-1)为Ag@AgCl/ZIF-8光催化剂(0.1322 min-1)的近两倍,并且具有较好的光催化稳定性。与Ag@AgCl/ZIF-8光催化剂相比,Ag@AgCl/Ag nanofilm/ZIF-8光催化剂具有较低的电化学阻抗,较高的光电流密度和更强的超氧自由基生成能力。Ag nanofilm在Ag@AgCl/Ag nanofilm/ZIF-8光催化剂系统当中充当电子介质的作用,提升了光生电子由等离子共振金属Ag向ZIF-8的定向传递,进一步增强了光催化剂对光生电子的传递和利用效率。(3)以Ag3PO4光催化剂为基体,以TiO2-x为光生电子的捕获和利用单元,采用两步法合成了氧空位浓度可控的TiO2-x/Ag3PO4异质结光催化剂,并将其应用于可见光光催化降解Rh B的研究当中。研究结果表明TiO2-x/Ag3PO4异质结光催化剂的拟一级反应速率常数(0.48 min-1)为Ag3PO4光催化剂(0.11 min-1)的4.4倍。循环实验结果表明TiO2-x/Ag3PO4异质结光催化剂的光催化稳定性明显优于Ag3PO4光催化剂。与此同时,TiO2-x/Ag3PO4异质结光催化剂还具有较高的光电流密度,较低程度的光腐蚀和较强的超氧自由基生成能力。TiO2-x当中的氧空位(Vo.)在光催化反应过程中充当氧气活化中心的作用,在提升光生电子的传递和利用效率的同时,避免了电子与光生空穴或者Ag+结合。(4)以Ag3PO4光催化剂为基体,以g-C3N4为光生电子的捕获和利用单元,采用离子交换沉淀法制备了Ag3PO4/g-C3N4 Z型异质结光催化剂。利用可见光(λ>420 nm)照射下的苯酚(Phenol)降解实验评价了样品的光催化活性,并通过活性物种及能带结构的分析对催化剂的光催化机理进行了推测。研究表明,Ag3PO4/g-C3N4的光催化活性明显高于单体Ag3PO4及g-C3N4,主要原因归结为Ag3PO4/g-C3N4异质结光催化剂的Z型载流子传递方式。同时,利用双氧水的强氧化特性对Ag3PO4/g-C3N4进行了催化剂再生,该再生过程可完全恢复催化剂的活性。
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