g-C3N4/Bi2O2CO3和g-C3N4/β-Bi2O3复合光催化剂的制备与应用研究

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太阳能是一种丰富、清洁的可持续能源,光催化是资源化利用太阳能的有效方式。利用光催化可进行环境治理,诱发氧化-还原反应将CO2和H2O合成碳氢燃料,分解水制氢等。但是,如何在光催化领域提高太阳能利用率是关键。近年来,人们主要通过设计制备高效光催化剂来实现这一目的,针对目前已有光催化剂的可见光催化活性不高、催化剂制备过程比较复杂等问题,考虑到制备g-C3N4原材料成本较低、容易制备、稳定性高、具有合适的带隙结构等优点,结合铋系光催化剂价带位置较低、具有可见光响应的特点,本论文旨在设计制备具有高可见光降解活性的复合g-C3N4的铋系光催化剂,并试图揭示其可能的催化反应机理,取得研究结果如下:g-C3N4/Bi2O2CO3复合光催化剂:本文在温和条件下制备了具有高吸附性能的花状Bi2O2CO3和g-C3N4/Bi2O2CO3。利用XRD、FT-IR、SEM、TEM (HRTEM)、UV-vis DRS和N2吸附-脱附技术表征制备样品。单色光催化实验证明Bi2O2CO3可见光下催化降解染料属于染料敏化降解过程。通过在其表面引入适量的g-C3N4,能得到具有较大比表面的g-C3N4-Bi2O2CO3复合光催化剂,有利于增强体系的光敏化降解活性。通过优化复合光催化剂的制备条件,得出g-C3N4最佳掺入量为10wt.%。10%g-C3N4/Bi2O2CO3不仅对阳离子型染料(罗丹明B、亚甲基蓝和结晶紫),而且对阴离子型染料(甲基橙)都具有较好的光催化降解活性和稳定性。通过关联催化剂的物理、化学性质与其光催化活性之间的关系,推测染料、g-C3N4和Bi2O2CO3之间匹配的能级有利于光生电子-空穴在三者之间的传输,这是其具有较强可见光降解活性的主要原因。g-C3N4/β-Bi2O3复合光催化剂:通过焙烧不同比例g-C3N4/Bi2O2CO3前驱体,控制制备g-C3N4/β-Bi2O3高效复合光催化剂。采用XRD、FT-IR、SEM、TEM(HRTEM)、UV-vis和DRS技术表征所制备样品。以可见光下降解甲基橙和无可见光吸收的2,4-二氯苯酚考察g-C3N4/β-Bi2O3光催化活性。通过400oC空气气氛下焙烧质量比为3:7的g-C3N4/Bi2O2CO3制得的g-C3N4/β-Bi2O3复合光催化剂具有较高活性。通过可见光照射下的光电流强度考察g-C3N4/β-Bi2O3中光生电子-空穴的分离情况,利用自由基捕获和荧光光谱法确认光催化过程中存在OH、h+和O2三种活性物质。g-C3N4/β-Bi2O3对可见光吸收较弱和无可见光吸收的有机污染物仍具有较高光降解活性,使其具有良好的应用前景。
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