S型CuBi2O4基复合材料的设计、合成及其光催化性能研究

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面对当前环境污染和能源危机,光催化技术因其绿色环保,清洁高效的将太阳能转化为化学能,而逐渐受到了人们的广泛关注。光催化技术的关键在高效光催化剂的开发。铋酸铜作为一种可见光驱动的廉价半导体材料,在污染物的降解和水分解等领域表现出优异的催化性能。本文以CuBi2O4半导体材料为基础,探索不同形貌制备CuBi2O4的合成方法,并开发了 CuBi2O4/Fe2O3,CuBi2O4/P25复合材料,系统研究其在光催化污染物降解,分解水产氢性能与机理,具体内容如下:(1)采用一步水热法,制备了CuBi2O4半导体材料。通过改变水热反应的条件(如前驱体溶液中水和乙醇的比例,水热反应的时间,温度等),制备了棒状,半球状,类蝴蝶状等不同形貌的CuBi2O4材料。并以刚果红为污染物模型,探索了不同形貌的CuBi2O4催化剂的光降解性能,结果表明,前驱体溶液的极性可以有效的调节CuBi2O4形貌。其中,类蝴蝶结状的CuBi2O4材料便显出良好的光催化刚果红降解活性,光照40min后,降解效率可以达到95.3%。(2)采用水热方合成了一系列组分比例的类蝴蝶结状α-Fe2O3/CuBi2O4复合光催化剂,并研究其在可见光下对罗丹明B(RhB)和对硝基苯酚(PNP)的降解性能,系统考察了复合催化剂组分,污染物溶液初始pH等条件对光催化活性的影响。结果表明,7%Fe2O3/CuBi2O4材料在弱碱性环境下表现出最高的光降解效率,光照50min后,罗丹明B(RhB)和对硝基苯酚(PNP)降解效率可以分别达到83.2%和91.6%。同时实现在自然光下对PNP和RhB混合污染物高效降解。α-Fe2O3/CuBi2O4异质结采用S-scheme型载流子传输模式可以有效提高光生电荷的分离效率;在弱碱性环境下,光芬顿体系中大量·OH的生成提升了材料光催化活性。在上述两者因素的协同影响下,增强了反应体系对污染物的降解能力。(3)通过一步水热法成功合成了一系列Na掺杂P25与CuBi2O4复合的光催化剂(CBO/Na-P25),研究发现其表现出优异的光催化分解水产氢活性,光照4h,7.5%CBO/Na-P25样品的H2 产率可以达到2695.73 μmol/gcat/h,是单一P25,Na-P25和CuBi2O4的37,13.7及100倍以上。Na掺杂可以有效的减小P25的带隙,构建的S-scheme型CBO/Na-P25异质结的有效提高了复合材料界面电荷的分离转移,进而提升了复合材料光催化性能。
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