BiOCl基复合材料的合成及其光催化性能研究

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半导体光催化因其可持续、可循环的绿色处理方式已经成为环境污染治理的主流技术。从早期的Ti O2催化剂开始,到如今已经有数万种性能良好的催化材料,其中铋基材料由于具有特殊的层状结构和稳定的理化性质等特点被广泛关注。本文从铋基化合物中的BiOCl半导体材料着手,通过优化工艺、构建异质结构、金属修饰方案对其进行改性研究。主要研究内容如下:(1)使用水热法合成规整均匀的BiOCl纳米片。通过单因素实验对合成工艺(水热温度、水热时间、前驱液p H)进行优化。实验表明:水热温度160℃,水热时间12 h,前驱液p H=3时合成的BiOCl材料对罗丹明B(Rh B)具有最优的光催化降解能力。(2)用一步水热法合成还原氧化石墨烯(RGO)不同质量占比的RGO/BiOCl二元异质结构。实验表明:RGO质量占比为4%时,RGO/BiOCl复合材料对Rh B具有最优的光催化降解能力,8 min内降解率达到93.7%。与BiOCl相比,4%RGO/BiOCl复合材料降解速率为BiOCl的4.37倍。RGO/BiOCl的光催化性能的增强归于以下方面:首先,RGO与BiOCl之间形成肖特基结,减少电子空穴的复合;其次,复合之后导带位置上移,电子还原性增强,产生更多超氧自由基,有助于性能提高;另外,RGO可作为载体,减小BiOCl团聚,增大材料比表面积;最后,复合材料中富氧空位加快电荷传输,增强可见光活性。(3)以4%RGO/BiOCl材料作为前驱体,用原位还原法合成不同比例Bi-RGO/BiOCl三元异质材料。实验表明:还原剂Na BH4浓度为30 mmol/L时合成得到的样品光催化性能最佳,分别是BiOCl和4%RGO/BiOCl复合材料的10.2倍和2.39倍,且30Bi-RGO/BiOCl材料的光吸收边扩展至600 nm,较BiOCl和RGO/BiOCl材料有明显提升,充分增强其可见光响应能力。探究出光催化活性增强的原因在于Bi纳米颗粒可以作为电子转移介体抑制载流子的复合,同时其表面等离子体(SPR)效应促使Bi纳米粒子能够为催化剂提供更多数量的供表面氧化还原反应的电子和空穴。
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