m-BiVO4/MFe2O4(M=Zn,Ca,Mg)光催化材料的制备及光催化性能研究

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在日益严峻的环境污染形势下,面对传统水污染治理技术存在的诸多缺陷,光催化氧化技术正在作为一种高效的污染治理技术而被广泛研究。m-BiVO4和尖晶石型MFe2O4(M=Zn,Ca,Mg)由于其独特光催化性能成为研究的热点之一。然而,这两种光催化材料由于光响应范围窄和光催化反应中光生载流子复合率较高的问题,导致其光催化效率偏低。因此,开发具有光谱响应范围宽,可见光利用率高的光催化材料成为当前研究的重点。本文以柠檬酸为络合剂并引入乙二醇作为分散剂,采用溶胶-凝胶法讨论了尖晶石型MFe2O4(M=Zn,Ca,Mg)和m-BiVO4两类光催化材料的合理制备工艺,并通过TG-DSC、XRD、SEM、EDS、TEM、BET和UV-vis等测试手段对样品的热稳定性、物相组成、显微结构、晶粒尺寸和可见光吸收性能进行了分析和表征。在此基础上进行二者的复合改性,研究了m-BiVO4/MFe2O4(M=Zn,Ca,Mg)复合光催化材料在可见光下对甲基橙溶液的降解效果,分析讨论了降解过程反应动力学特征和复合光催化材料光催化活性提高的原因和机理。结果表明:(1)自蔓延溶胶-凝胶法合成尖晶石型ZnFe2O4、CaFe2O4、MgFe2O4粉体,当配置前驱液溶剂的醇水比为1:2;前驱液pH值分别为4、2、2;煅烧温度分别为950℃、850℃、900℃;保温时间为4h时对应三种晶体颗粒均为分散性较好的球状颗粒。该条件下三种物质均具有可见光响应能力,对应的禁带宽度分别为1.93e V、1.94 eV和1.80eV。(2)乙二醇溶胶-凝胶法合成m-BiVO4粉体,当前驱液pH=9、煅烧温度为550℃时合成的m-BiVO4为比表面积较大的橄榄状颗粒,比表面积达到4.6573m2/g,对应禁带宽度最窄为2.33eV。(3)按质量比m[m-BiVO4]:m[MFe2O4(M=Zn,Mg,Ca)]=(100-x):x的比例(x=5%、10%、15%、20%)制备的复合光催化材料,复合比例为15%的BiVO4/ZnFe2O4、20%的BiVO4/CaFe2O4和15%的BiVO4/MgFe2O4光催化降解甲基橙溶液120min后对应上清液脱色率分别达到64.15%、59.12%和62.01%,光催化效果提升最明显。(4)三种复合催化剂对甲基橙溶液的降解过程均符合一级反应动力学方程,m-BiVO4/ZnFe2O4、m-BiVO4/CaFe2O4、m-BiVO4/MgFe2O4的复合比例分别为15%、20%、15%时对应催化反应的降解速率常数最大,分别达到0.5435min-1、0.5218min-1、0.5435min-1,同时对应的半反应时间最短,分别为25.50min、26.56min、25.50min。(5)m-BiVO4/MFe2O4(M=Zn,Ca,Mg)复合光催化材料光催化性能提高主要是由于m-BiVO4和MFe2O4(M=Zn,Ca,Mg)复合后形成了p-n型异质结构,拓宽了光响应范围,在光催化过程中能产生更多的具有活性的电子-空穴对,同时有效的避免了光生载流子的复合几率,最终诱导产生更多的·O2-、·OH、·HO2等能够降解目标污染物的活性成分,增强了光催化反应能力。
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